ATLAS-Detektor sah Lichtstreuung in der Welt • Igor Ivanov • Wissenschaftsnachrichten zu "Elementen" • ATLAS-Detektor, Nukleare Kollisionen, LHC

ATLAS-Detektor sah Lichtstreuung

Abb. 1. Die Geburt von zwei Photonen moderat hoher Energie im ATLAS-Detektor ohne die Hilfe anderer Teilchen. Bild von cerncourier.com

Die ATLAS-Kollaboration, die am Large Hadron Collider arbeitete, berichtete über eine zuverlässige Registrierung des berühmten, aber schwer zu messenden Prozesses der Quantenelektrodynamik – Lichtstreuung aus Licht. Dies wurde nach der Verarbeitung der Daten über die Kollision von schweren Hochenergiekernen im Jahr 2015 getan. Die gemessenen Eigenschaften des Prozesses innerhalb der Fehler stimmen mit den Vorhersagen des Standardmodells überein.

Der Prozess der elastischen Kollision zweier Photonen γγ → γγ oder "Lichtstreuung am Licht" ist eines der bekanntesten Beispiele dafür, wie Quanteneffekte die Gesetze der klassischen Elektrodynamik verändern. Im Rahmen der konventionellen Optik wechselwirken zwei im Vakuum durchtretende Lichtstrahlen überhaupt nicht, beeinflussen sich nicht gegenseitig. In der Quantenfeldtheorie wird ein solcher Effekt möglich: Eine der Photonen wird für kurze Zeit zu einem virtuellen Paar geladener Teilchen, und das Gegenphoton wird darauf gestreut (Abb. 2).

Abb. 2 Feynman-Diagramm zur Beschreibung der Kollision zweier Photonen. Bild von es.wikipedia.org

Für gewöhnliche optische Photonen ist der Querschnitt dieser Streuung so klein, dass es keine Möglichkeit gibt, sie im Labor zu registrieren. Mit einer Zunahme der Photonenenergie steigt der Wirkungsquerschnitt jedoch stark an und kann im kosmischen Maßstab beobachtet werden (siehe das Problem Kollision von Photonen zu diesem Thema). In Laborexperimenten mit Elementarteilchen wird manchmal auch die Streuung von Licht durch Licht für hohe Photonenenergien beobachtet. Die bekanntesten Varianten dieses Prozesses, die bereits im Experiment registriert wurden, sind die Erzeugung von zwei Photonen durch intermediäre Mesonen in Elektron-Positron-Stößen sowie die Streuung oder Aufspaltung eines Photons in zwei im Bereich eines schweren Kerns.

Und dieser schöne Prozess wurde zum ersten Mal am Large Hadron Collider beobachtet: Die ATLAS-Kollaboration veröffentlichte kürzlich einen Artikel mit dem Ergebnis dieser Analyse, in dem ein Artikel über Licht-Licht-Streuung mit dem ATLAS-Detektor am LHC (arXiv: 1702.01625) veröffentlicht wurde. Artikel an Journal gesendet Naturphysik; eine populäre Geschichte über diese Arbeit erschien in einer Zeitschrift CERN Kurier.

Die Analyse basiert auf Daten, die 2015 im Rahmen einer Sondersitzung zu nuklearen Kollisionen erhoben wurden. Der Vorteil von schweren Kernen besteht darin, dass aufgrund der großen elektrischen Ladung ein starkes elektrisches Feld um sie herum erzeugt wird.Zwei entgegenkommende Kerne können "das Ziel verfehlen", ohne Kollision aneinander vorbeifliegen, aber ihre elektrischen Felder werden kollidieren. Es ist sehr wichtig, dass die Kerne selbst mit nahezu Lichtgeschwindigkeit fliegen. Was wie ein gewöhnliches elektrostatisches Feld für einen ruhenden Kern aussieht, wird zu einem Feld für einen schnellen Kern. elektromagnetischdas heißt, in einen Strom von fast echten Photonen hoher Dichte, die in der Nähe des Kerns fliegen. Es mag überraschen, dass das gleiche System (in unserem Fall der Kern und sein Feld) in verschiedenen Bezugssystemen völlig anders aussieht, aber dies sind die Eigenschaften der Quantenmikrowelt; Lesen Sie mehr dazu am Beispiel der starken Wechselwirkung im Artikel Das vielseitige Proton. Als Folge kollidieren und streuen diese fast realen Photonen von zwei entgegenkommenden Kernen zu den Seiten – sie werden vom Detektor registriert (Abb. 3). Sie können mehr über Zwei-Photonen-Prozesse aus der VG-Serbo-Reihe von Videovorlesungen von der NSU lernen.

Abb. 3 Zwei entgegenkommende hochenergetische Kerne können nicht direkt kollidieren, sondern mit ihren eigenen elektromagnetischen Feldern, und in dieser elektromagnetischen Kollision kann ein System von Teilchen X entstehen.Lichtstreuung in der Welt ist ein Prozess, wenn X zwei Hochenergiephotonen ist. Bild aus dem Artikel zur Diskussion

Ein charakteristisches Merkmal dieses Prozesses ist seine außergewöhnliche Reinheit, die Abwesenheit von Fremdpartikeln im Detektor. In Abb. 1 zeigt ein derartiges Kandidaten-Lichtstreuungsereignis. Statt der Tausenden von Teilchen, die der Detektor normalerweise in harten Kernzusammenstößen sieht, ist alles leer, es gibt nur zwei Photonen mit entgegengesetzten transversalen Impulsen. Aus diesem Grund wird die Auswahl der Ereignisse sehr effizient durchgeführt: unter den Milliarden von Ereignissen, die vom ATLAS-Detektor registriert wurden, haben nur 13 alle Auswahlstufen bestanden. Natürlich kann bei allen Suchen ein Hintergrund von externen Prozessen vorliegen, aber für diese Analyse ist es ziemlich niedrig: nur 2,6 ± 0,7 Hintergrundereignisse wurden von den Simulationsergebnissen erwartet. ATLAS sieht daher einen signifikanten Überschuss an Daten über dem Hintergrund und meldet zuverlässige Hinweise auf Lichtstreuung im Licht im Energieraum von mehreren GeV (die statistische Signifikanz des Effekts ist 4,4σ).

Auch bei 13 Ereignissen können Sie eine statistische Analyse durchführen. Die ATLAS-Kollaboration untersuchte die Verteilung der Ereignisse nach den Anstellwinkeln, dem Transversalimpuls und seiner Unwucht durch die invariante Masse und maß den Querschnitt des Prozesses: 70 ± 24 ± 17 nb (statistische und systematische Fehler sind hier angegeben).Es erwies sich als etwas höher als die Vorhersagen des Standardmodells für diesen Energiebereich und die Schnelligkeit (40-60 nb), aber es ist innerhalb der Fehlergrenzen ziemlich konsistent.

Man kann nicht sagen, dass von diesem Prozess Überraschungen erwartet wurden. Interesse hier eher, "Status" – in seiner reinen Form zu registrieren, ohne die "Hilfe" der Zwischen-Mesonen-Resonanzen, die klassische, aber schwer fassbare Wirkung, die ständig in den Einführungskursen der Quantenphysik erwähnt wird.

Quelle: ATLAS Zusammenarbeit. Der ATLAS-Detektor am LHC // Preprint arXiv: 1702.01625 [hep-ex].

Igor Iwanow


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