用对撞机观测：电磁量子理论量子电动力学预测的光散射！

博科园 2019-03-25

光散射是一种非常罕见的现象，两个光子相互作用，产生另一对光子。这一过程是电磁量子理论量子电动力学(QED)最早的预测之一，被经典物理理论(如麦克斯韦的电动力学理论)所限制。

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在大型强子对撞机(LHC)开始第二次数据采集期之前的几十年里，光在高能下逐光散射的直接证据一直被证明是难以捉摸。LHC中铅离子的碰撞为研究光逐光散射提供了一个独特的“清洁”环境。一束束的铅离子被加速到极高能量，周围环绕着大量的光子。

博科园-科学科普：事实上，铅原子中82个质子的大量相干作用，连同所有的电子被剥离(LHC中的铅离子就是这种情况)，会产生高达每米102^5伏特的电磁场。当两个铅离子在阿特拉斯探测器的中心相互靠近，但距离大于铅离子半径的两倍时，这些光子仍然可以相互作用并散射出去，而铅离子之间没有任何进一步的相互作用，因为(更强的)强作用力范围与单个质子的半径绑定在一起，这些相互作用被称为超外围碰撞。发表于《自然物理》(Nature Physics)的一项结果中。

ATLAS事件显示了电磁量热计(绿色)中两个光子在相反方向的能量沉积，而探测器中没有其他活动，这是光逐光散射的清晰特征。图片：ATLAS Collaboration/CERN

欧洲核子研究中心(CERN)的阿特拉斯实验在铅-铅碰撞数据中：发现了13个候选的光散射事件，其中2.6个事件预计来自背景过程。该结果的对应意义为4.4个标准差，是高能逐光散射的第一个直接证据。2019年3月17日，在意大利La Thuile举行的Rencontres de Moriond会议上，ATLAS实验报告了对逐光散射的观测，其显著性为8.2个标准差。该结果利用了2018年11月LHC最近一次重离子运行的数据。与2015年相比，约3.6倍(1.73 nb - 1)的事件被收集。

增加的数据集，结合改进的分析技术，允许测量光的散射，大大提高了精度。总共观察了59个候选事件，其中12个事件预期来自后台进程。由这些数值计算出该过程的横截面为78±15nb，受限于分析中考虑的运动学区域。奇怪的是，这个过程特征（在一个原本是空的探测器中有两个光子）几乎与通常在两个铅核的高能碰撞中观察到极其丰富和复杂的事件相反。观察它需要开发改进的触发算法来快速在线选择事件，以及使用神经网络进行特定调整的光子识别算法

量子物理学中粒子可以像波一样运动，反之亦然。图片：Timothy Yeo / CQT, National University of Singapore

因为所研究的光子能量大约是通常使用ATLAS探测器测量最低能量光子的10倍。能够记录这些事件说明ATLAS检测器的强大功能和灵活性，以及它的事件重建，这是为非常不同的事件拓扑设计。这一新测量方法为进一步研究光散射过程打开了大门，光散射过程本身作为一种极其罕见的量子电动力学现象的一种表现形式非常有趣，而且可能对来自标准模型之外的粒子的贡献非常敏感。它为新一代寻找假想的光和中性粒子提供了可能。