A criação de matéria em uma interação de dois fótons pertence a uma classe de fenômenos muito raros. A partir dos dados do experimento ATLAS no LHC, coletados com os novos detectores de prótons AFP nas energias mais altas disponíveis até o momento, está surgindo uma imagem mais precisa - e mais interessante - dos fenômenos que ocorrem durante as colisões de fótons.

Se você apontar uma lanterna brilhante para outra, você não espera nenhum fenômeno espetacular. Os fótons emitidos por ambas as lanternas simplesmente passam um pelo outro. Contudo, em certas colisões envolvendo prótons de alta energia, a situação é diferente. Os fótons emitidos por duas partículas em colisão podem interagir e criar um par de partículas de matéria e antimatéria. Traços de processos como esses acabaram de ser observados no experimento ATLAS no Large Hadron Collider (LHC) no CERN perto de Genebra. Observações precisas foram realizadas usando o novo espectrômetro AFP (ATLAS Forward Proton), desenvolvido com participação significativa de cientistas do Instituto de Física Nuclear da Academia Polonesa de Ciências (IFJ PAN) em Cracóvia. Os físicos poloneses, financiado pelo Centro Nacional de Ciência e pelo Ministério da Ciência e Ensino Superior, têm estado envolvidos no desenvolvimento de detectores AFP desde a concepção desses dispositivos.

"As observações da criação de partículas de matéria e antimatéria a partir da radiação eletromagnética remontam aos primórdios da física nuclear, "diz o Prof. Janusz Chwastowski, chefe da equipe de físicos do PAN IFJ envolvidos nos detectores de AFP.

De fato, era fevereiro de 1933 quando Patrick Blackett (Nobel 1948) e Giuseppe Occhialini relataram uma observação da criação de um par elétron-pósitron iniciado por um quantum de radiação cósmica. A criação de matéria e antimatéria foi, portanto, notada antes do processo reverso, ou seja, a famosa e espetacular aniquilação de pósitrons. As primeiras observações deste último foram feitas em agosto de 1933 por Theodor Heiting, e três meses depois por Frédéric Joliot.

"Nos eventos de criação mais comumente registrados, um fóton se transforma em uma partícula e uma antipartícula. Em contraste, o fenômeno que estamos estudando é de natureza diferente. O par partícula-antipartícula surge aqui devido à interação de dois fótons. A possibilidade de tais processos foi relatada pela primeira vez por Gregory Breit e John A. Wheeler em 1934, "continua o Prof. Chwastowski.

Como uma partícula carregada, o próton que se move dentro do tubo de feixe do LHC é cercado por um campo elétrico. Uma vez que os portadores de interações eletromagnéticas são fótons, o próton pode ser tratado como um objeto rodeado por fótons.

"No tubo de feixe do LHC, os prótons atingem velocidades muito próximas à velocidade da luz. Um próton e o campo circundante sofrem a contração de Lorentz ao longo da direção do movimento. Assim, do nosso ponto de vista, um próton movendo-se quase à velocidade da luz está associado a oscilações particularmente violentas do campo eletromagnético. Quando tal próton se aproxima de outro acelerado nas direções opostas - e esta é a situação com a qual estamos lidando no LHC - uma interação entre os fótons pode ocorrer, "explica o Dr. Rafal Staszewski (IFJ PAN).

No LHC, colisões de feixes de prótons altamente energéticos ocorrem em vários lugares, incluindo aquele localizado dentro do detector ATLAS gigante. Se dois fótons colidem, o resultado poderia ser um par elétron-pósitron ou um par múon-antimuon (um múon é cerca de 200 vezes mais massivo do que um elétron). Essas partículas, que pertencem à família lepton, produzidos em grandes ângulos em relação aos feixes de prótons, são registrados dentro do detector ATLAS principal. Tais fenômenos já foram observados no LHC antes.

"A questão é, temos mais dois protagonistas de processos de dois fótons! Estes são, naturalmente, as fontes de fótons, ou seja, os dois prótons que passam. Assim, chegamos à essência de nossa medição, "diz o Dr. Staszewski e explica:" Como resultado da emissão de fótons, cada próton perde alguma energia, mas, importante, praticamente não muda a direção de seu movimento. Então, ele escapa do detector junto com outros prótons no feixe. Contudo, o próton que emitiu o fóton tem uma energia ligeiramente mais baixa do que os prótons do feixe. Portanto, o campo magnético do acelerador o desvia mais, e isso significa que ele se afasta gradualmente do feixe. Esses são os prótons que procuramos com nossos espectrômetros AFP. "

Cada uma das quatro unidades de rastreamento AFP contém quatro sensores:placas de pixel semicondutor de 16x20 mm, colocado um atrás do outro. Um próton que passa pelos sensores deposita alguma energia e, portanto, ativa os pixels em seu caminho. Ao analisar todos os pixels ativados, o caminho e as propriedades do próton podem ser reconstruídos.

A necessidade de registrar prótons apenas ligeiramente desviados do feixe principal significa que os espectrômetros AFP devem ser inseridos diretamente dentro do tubo de feixe do LHC, apenas alguns milímetros de distância dos feixes circulantes.

"Quando você está operando tão perto de um feixe de partículas com energias tão altas, você tem que estar ciente dos riscos. O menor erro no posicionamento do espectrômetro pode resultar na queima de um buraco nele. Seria muito perturbador, mas esse seria realmente o menor dos nossos problemas. Os detritos resultantes contaminariam pelo menos uma parte do acelerador causando seu desligamento por algum tempo, "observa o Prof. Chwastowski.

As medições aqui descritas foram realizadas com espectrômetros AFP colocados a uma distância de cerca de 200 m do ponto em que os prótons colidiram.

"Os prótons interagem no LHC de várias maneiras. Como resultado, os prótons observados nos espectrômetros AFP podem se originar de processos diferentes daqueles associados às interações fóton-fóton. Para procurar os prótons certos, precisávamos ter conhecimento preciso sobre as propriedades de cada partícula, "enfatiza o estudante de doutorado Krzysztof Ciesla (IFJ PAN), que tratou da análise inicial dos dados brutos coletados pelos espectrômetros AFP em 2017 e convertendo-os em informações sobre as energias e momentos dos prótons registrados. Os resultados das medições de energia de prótons foram então justapostos com as energias do par de leptons criado e, baseado em princípios de conservação, foi determinado se o próton observado poderia ser a fonte do fóton em interação.

As medições usando os espectrômetros AFP provaram ser altamente significativas do ponto de vista estatístico, em nove desvios padrão (sigma). Para comparação, uma medição de cinco sigma geralmente é suficiente para anunciar uma descoberta científica. Então, os espectrômetros AFP passaram com sucesso no teste, provou a utilidade do método e forneceu muito interessante, embora ainda não esteja claro, resultados. Descobriu-se que as previsões teóricas não concordam totalmente com as características determinadas das interações investigadas. Claramente, existem nuances ocultas nos processos de dois fótons observados em colisões próton-próton de alta energia que requerem melhor compreensão e medições adicionais.