Ученые, работающие с детектором ATLAS в составе БАК, заявляют о первом детектировании столкновений между одиночными частицами света, что раньше считалось невозможным с точки зрения классической, неквантовой физики, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature Physics.
"Несмотря на то, что эти результаты обладают достаточно низкой точностью, их уже сейчас можно использовать для проверки сразу нескольких моделей "новой физики". Эти результаты были получены в 2015 году, когда БАК работал на пониженной мощности. Новые замеры, полученные в прошлом и этом году, а также обновление БАК в 2025 году помогут нам повысить точность на порядок и понять, существуют ли другие заряженные частицы или нет", — прокомментировал открытие Спенсер Кляйн (Spencer Klein), физик из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли (США).
В соответствии с классическими законами физики и уравнениями Максвелла, одиночные частицы света не должны взаимодействовать между собой и должны пролетать друг через друга без каких-либо последствий. После появления квантовой физики и осознания того, что вакуум не является абсолютно пустым, ученые поняли, что на самом деле фотоны могут взаимодействовать друг с другом непрямым и прямым способом.
В первом случае взаимодействие двух частиц света будет приводить к рождению двух "виртуальных" частиц, электрона и позитрона, которые практически сразу же аннигилируют и породят два новых фотона. Во втором случае фотоны будут сталкиваться напрямую, обмениваясь виртуальным набором всех уже открытых и, возможно, неизвестных нам носителей заряда. Подобные столкновения будут происходить крайне редко, и ученые сомневались в том, можно ли их вообще увидеть.
В том, что подобные столкновения возможны, ученые были уверены достаточно давно, так как на это указывает необычное поведение частиц света в присутствии сильных магнитных полей, заставляющих их "отскакивать" от ядер атомов и спонтанно расщепляться на две половины в определенных условиях. Тем не менее, проследить за этим процессом было нельзя, так как лазеры, обычно используемые для таких наблюдений, делали подобные взаимодействия "невидимыми" для нас.
Научная коллаборация ATLAS, работающая с одноименным детектором БАК, представила первые доказательства того, что эти столкновения происходят, наблюдая за взаимодействием ионов свинца, разогнанных до околосветовых скоростей. Эти наблюдения, как отмечают ученые, велись на первом этапе работы коллайдера после его обновления в 2015 году, до того, как он вышел на пиковую мощность.
Как объясняет Кляйн, столкновение атомов свинца под определенным углом, в силу необычного расположения их магнитных и электрических полей, будет порождать пары фотонов, которые сразу же будут сталкиваться и "отскакивать" друг от друга.
Следы этих столкновений, как заметили участники ATLAS, в том числе десятки российских физиков, можно будет отличить от остальных фотонов, порождаемых в ходе распадов и столкновений частиц в БАК. Подобные "ДТП", по словам физиков, не будут порождать никаких других продуктов реакции, кроме самих частиц света, а сами фотоны будут двигаться под определенным углом по отношению друг к другу.
Анализируя данные, полученные ATLAS и БАК за прошлый год, ученым удалось найти следы 13 подобных столкновений фотонов, что почти дотягивает по показателю статистической значимости до уровня открытия, но пока им не является. Данные за текущий год и последующие циклы работы БАК, как надеются физики, помогут достичь этой планки и приступить к поиску следов "новой физики" во взаимодействиях фотонов.