光散射是一種非常罕見的現(xiàn)象，兩個(gè)光子相互作用，產(chǎn)生另一對(duì)光子。這一過程是電磁量子理論量子電動(dòng)力學(xué)(QED)最早的預(yù)測(cè)之一，被經(jīng)典物理理論(如麥克斯韋的電動(dòng)力學(xué)理論)所限制。

在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)開始第二次數(shù)據(jù)采集期之前的幾十年里，光在高能下逐光散射的直接證據(jù)一直被證明是難以捉摸。LHC中鉛離子的碰撞為研究光逐光散射提供了一個(gè)獨(dú)特的“清潔”環(huán)境。一束束的鉛離子被加速到極高能量，周圍環(huán)繞著大量的光子。

博科園-科學(xué)科普：事實(shí)上，鉛原子中82個(gè)質(zhì)子的大量相干作用，連同所有的電子被剝離(LHC中的鉛離子就是這種情況)，會(huì)產(chǎn)生高達(dá)每米102^5伏特的電磁場(chǎng)。當(dāng)兩個(gè)鉛離子在阿特拉斯探測(cè)器的中心相互靠近，但距離大于鉛離子半徑的兩倍時(shí)，這些光子仍然可以相互作用并散射出去，而鉛離子之間沒有任何進(jìn)一步的相互作用，因?yàn)?更強(qiáng)的)強(qiáng)作用力范圍與單個(gè)質(zhì)子的半徑綁定在一起，這些相互作用被稱為超外圍碰撞。發(fā)表于《自然物理》(Nature Physics)的一項(xiàng)結(jié)果中。

歐洲核子研究中心(CERN)的阿特拉斯實(shí)驗(yàn)在鉛-鉛碰撞數(shù)據(jù)中：發(fā)現(xiàn)了13個(gè)候選的光散射事件，其中2.6個(gè)事件預(yù)計(jì)來自背景過程。該結(jié)果的對(duì)應(yīng)意義為4.4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差，是高能逐光散射的第一個(gè)直接證據(jù)。2019年3月17日，在意大利La Thuile舉行的Rencontres de Moriond會(huì)議上，ATLAS實(shí)驗(yàn)報(bào)告了對(duì)逐光散射的觀測(cè)，其顯著性為8.2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差。該結(jié)果利用了2018年11月LHC最近一次重離子運(yùn)行的數(shù)據(jù)。與2015年相比，約3.6倍(1.73 nb - 1)的事件被收集。

增加的數(shù)據(jù)集，結(jié)合改進(jìn)的分析技術(shù)，允許測(cè)量光的散射，大大提高了精度?？偣灿^察了59個(gè)候選事件，其中12個(gè)事件預(yù)期來自后臺(tái)進(jìn)程。由這些數(shù)值計(jì)算出該過程的橫截面為78±15nb，受限于分析中考慮的運(yùn)動(dòng)學(xué)區(qū)域。奇怪的是，這個(gè)過程特征（在一個(gè)原本是空的探測(cè)器中有兩個(gè)光子）幾乎與通常在兩個(gè)鉛核的高能碰撞中觀察到極其豐富和復(fù)雜的事件相反。觀察它需要開發(fā)改進(jìn)的觸發(fā)算法來快速在線選擇事件，以及使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行特定調(diào)整的光子識(shí)別算法

因?yàn)樗芯康墓庾幽芰看蠹s是通常使用ATLAS探測(cè)器測(cè)量最低能量光子的10倍。能夠記錄這些事件說明ATLAS檢測(cè)器的強(qiáng)大功能和靈活性，以及它的事件重建，這是為非常不同的事件拓?fù)湓O(shè)計(jì)。這一新測(cè)量方法為進(jìn)一步研究光散射過程打開了大門，光散射過程本身作為一種極其罕見的量子電動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象的一種表現(xiàn)形式非常有趣，而且可能對(duì)來自標(biāo)準(zhǔn)模型之外的粒子的貢獻(xiàn)非常敏感。它為新一代尋找假想的光和中性粒子提供了可能。

博科園-科學(xué)科普｜研究/來自:?ATLAS Experiment

參考期刊文獻(xiàn):《Nature Physics》

DOI: 10.1038/nphys4208?

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