Comprendre les collisions de photons pourrait aider à rechercher une physique au-delà du modèle standard


Des physiciens étudient des smashups légers pour orienter les recherches futures

L’expérience du solénoïde compact à muons au Grand collisionneur de hadrons de l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire. Crédit image : CERN

Immédiatement après avoir prouvé une prédiction vieille de 87 ans selon laquelle la matière être créée directement à partir de la lumière, des physiciens de l’Université Rice et leurs collègues ont expliqué comment ce processus pourrait affecter les futures études du plasma primordial et de la physique au-delà du standard.

« Nous examinons essentiellement les collisions lumineuses », a déclaré Wei Li, professeur agrégé de physique et d’astronomie à Rice et co-auteur de l’étude publiée dans Lettres d’examen physique.

« Nous savons d’Einstein que l’énergie peut être convertie en masse », a déclaré Li, un physicien des particules qui travaille avec des centaines de collègues sur des expériences sur des accélérateurs de particules à haute énergie tels que le grand collisionneur de hadrons (LHC) de l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire et Brookhaven. Collisionneur d’ions lourds relativistes (RHIC) du Laboratoire national.

Des accélérateurs comme le RHIC et le LHC convertissent régulièrement l’énergie en matière en accélérant des morceaux d’atomes à une vitesse proche de la vitesse de la lumière et en se heurtant les uns les autres. La découverte du boson de Higgs en 2012 au LHC en est un exemple notable. À l’époque, le Higgs était la dernière particule non observée du modèle standard, une théorie qui décrit les forces fondamentales et les éléments constitutifs des atomes.

Aussi impressionnant soit-il, les physiciens savent que le modèle standard n’explique qu’environ 4 % de la matière et de l’énergie de l’univers. Li a déclaré que l’étude de cette semaine, auteur principal du postdoctorant Rice Shuai Yang, avait des implications pour la recherche de la physique au-delà du modèle standard.

« Il existe des articles qui prédisent que de nouvelles particules peuvent être créées à partir de ces collisions ioniques, que nous avons une densité de photons si élevée dans ces collisions que ces interactions photon-photon peuvent créer une nouvelle physique au-delà du modèle standard », a déclaré Li.

Yang a déclaré : « Afin de rechercher une nouvelle physique, il faut très bien comprendre les processus du modèle standard. L’effet que nous avons vu ici n’était pas pris en compte auparavant lorsque les gens ont suggéré d’utiliser des interactions photon-photon pour rechercher une nouvelle physique. Et c’est extrêmement important d’en tenir compte. »

L’effet décrit par Yang et ses collègues se produit lorsque des physiciens accélèrent des faisceaux opposés d’ions lourds dans des directions opposées et dirigent les faisceaux l’un vers l’autre. Les ions sont des noyaux d’éléments massifs comme l’or ou le , et les accélérateurs d’ions sont particulièrement utiles pour étudier la force puissante qui lie les éléments de base appelés quarks dans les neutrons et les protons des noyaux atomiques. Les physiciens ont utilisé des collisions d’ions lourds pour surmonter ces interactions et observer à la fois les quarks et les gluons, les particules échangeant des quarks lorsqu’elles interagissent via la force forte.

Mais il n’y a pas que les noyaux qui entrent en collision dans les accélérateurs d’ions lourds. Les faisceaux d’ions génèrent également des champs électriques et magnétiques qui enveloppent chaque noyau du faisceau avec son propre nuage de lumière. Ces nuages ​​​​se déplacent avec les noyaux, et lorsque les nuages ​​​​de rayons opposés se rencontrent, des particules de lumière individuelles appelées photons peuvent entrer en collision frontale.

Dans une PRL Dans une étude publiée en juillet, Yang et ses collègues ont utilisé les du RHIC pour montrer que les collisions photon-photon créent de la matière à partir d’énergie pure. Dans les expériences, les écrasements légers se sont produits avec des collisions de noyau qui ont créé une soupe primordiale appelée plasma quark-gluon, ou QGP.

« Au RHIC, la collision photon-photon peut être générée en même temps que le plasma quark-gluon se forme », a déclaré Yang. « Donc vous créez cette nouvelle masse dans le plasma quark-gluon. »

Le doctorat de Yang Mémoire de fin d’études sur les données RHIC publié dans PRL collisions de photons suspectées en 2018, qui pourraient affecter le plasma légèrement mais de manière mesurable. Li a dit que c’était à la fois fascinant et surprenant car les collisions de photons sont un phénomène électromagnétique et les plasmas quark-gluon sont dominés par la force forte, qui est beaucoup plus forte que la force électromagnétique.

« Pour interagir fortement avec le plasma quark-gluon, il ne suffit pas d’avoir une charge électrique », a déclaré Li. « On ne s’attend pas à ce qu’il interagisse très fortement avec le plasma quark-gluon. »

Il a dit qu’une variété de théories ont été proposées pour expliquer les résultats inattendus de Yang.

« Une explication suggérée est que l’interaction photon-photon sera différente non pas à cause du plasma quark-gluon, mais parce que les deux ions se rapprochent simplement », a déclaré Li. « C’est lié aux effets quantiques et à la façon dont les photons interagissent avec les uns les autres. »

Si des effets quantiques provoquaient les anomalies, a suggéré Yang, ils pourraient créer des motifs d’interférence détectables lorsque les ions se manquaient de peu mais que les photons entrent en collision avec leurs nuages ​​​​de lumière respectifs.

« Donc, les deux ions ne se heurtent pas directement », a déclaré Yang. « Ils se produisent réellement. C’est ce qu’on appelle une collision ultra-périphérique parce que les photons entrent en collision mais les ions n’entrent pas en collision. »

La théorie suggérait que les modèles d’interférence quantique provenant des collisions photon-photon ultrapériphériques devraient varier en proportion directe de la entre les ions passant par là. À l’aide des données de l’expérience Compact Muon Solenoid (CMS) du LHC, Yang, Li et leurs collègues ont qu’ils pouvaient déterminer cette distance ou ce paramètre d’impact en mesurant quelque chose de complètement différent.

Des physiciens étudient des smashups légers pour orienter les recherches futures

L’expérience du solénoïde compact à muons au Grand collisionneur de hadrons de l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire. Crédit image : CERN

« Lorsque les deux ions se rapprochent, il y a plus de chances que l’ion soit excité et émette des neutrons qui descendent directement dans la ligne de lumière », a déclaré Li. « Nous avons un détecteur à CMS pour cela. »

Chaque collision photon-photon ultrapériphérique crée une paire de particules appelées muons qui volent généralement dans des directions opposées à la collision. Comme prédit par la théorie, Yang, Li et leurs collègues ont découvert que l’interférence quantique déforme l’angle de départ des muons. Et plus la distance entre les ions de quasi-mission est courte, plus la distorsion est importante.

Li a dit que l’effet vient du mouvement des photons en collision. Bien que chacun se déplace avec son ion hôte dans la direction du faisceau, les photons peuvent également s’éloigner de leur hôte.

« Les photons se déplacent également dans une direction verticale », a-t-il déclaré. « Et il s’avère exactement que ce mouvement vertical devient plus fort à mesure que le paramètre d’impact devient de plus en plus petit.

« Cela donne l’impression que quelque chose change les muons », a déclaré Li. « On dirait que l’un se déplace sous un angle différent de l’autre, mais ce n’est vraiment pas le cas. C’est un artefact de la façon dont le mouvement du photon a changé perpendiculaire à la direction du faisceau avant la collision qui a formé les muons. »

Yang a déclaré que l’étude expliquait la plupart des anomalies qu’il avait précédemment identifiées. Dans l’intervalle, l’étude a établi un nouvel outil expérimental pour contrôler les paramètres d’action des interactions photoniques, qui auront des effets de grande envergure.

« Nous pouvons affirmer sans risque que la majorité provient de cet effet QED », a-t-il déclaré. « Mais cela n’exclut pas qu’il existe encore des effets liés au plasma quark-gluon. Ce travail nous donne un point de départ très précis, mais nous avons besoin de données plus précises. Il nous reste au moins 15 ans pour collecter les données QGP de CMS et la précision des données continue de s’améliorer. »


Formation sans contact lorsque les noyaux de plomb et d’or entrent en collision


Plus d’information:
AM Sirunyan et al., Observation de la dépendance à la multiplicité neutronique directe de l’acoplanarité des dimuons dans les collisions ultrapériphériques Pb-Pb à sNN = 5,02 TeV, Lettres d’examen physique (2021). DOI : 10.1103 / PhysRevLett.127.122001

Fourni par l’Université Rice

Citation: Comprendre les collisions de photons pourrait faciliter la recherche de physique au-delà du modèle standard (2021, 20 septembre), consulté le 20 septembre 2021 à partir de https://phys.org/news/2021-09-physicists-probe-smashups-future. html

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