Polscy naukowcy pracujący w miedzynarodowym eksperymencie ATLAS Wielkiego Zderzecza Hadronów potwierdzili jedno z przewidywań Modelu Standardowego. Po raz pierwszy zaobserwowali zjawisko rozpraszania światła na świetle, polegające na tym, że dwa niskoenergetyczne fotony oddziałują ze sobą i zmieniają swoją trajektorię. W opracowaniu danych pomiarowych brali udział naukowcy Akademii Górniczo-Hutniczej i Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie, laboratorium DESY w Hamburgu i Uniwersytetu Jana Gutenberga w Moguncji. Pracę na ten temat opublikowano na portalu arxiv.org.

"Prawa klasycznej elektrodynamiki przewidują, że strumienie światła przenikają się i nie ulegają rozproszeniu, jeśli jednak weźmiemy pod uwagę zjawiska kwantowe, światło może rozpraszać się na świetle, choć zjawisko to jest bardzo mało prawdopodobne" - mówi dr Mateusz Dyndał, pracujący obecnie w DESY, który brał udział w analizie danych. Elektrodynamika kwantowa przewiduje, że fotony, cząstki elementarne będące nośnikami promieniowania elektromagnetycznego, mogą ze sobą oddziaływać, do tej pory jednak, mimo prób w różnym środowisku, nie udało się takiego rozproszenia bezpośrednio zaobserwować.

"Zjawisko jest tam mało prawdopodobne, że nie ma szans, by zaobserwować je po zderzeniu dwóch wiązek nawet najbardziej intensywnych laserów" - mówi w rozmowie z RMF FM dr Mateusz Dyndał.

Posłuchaj rozmowy Grzegorza Jasińskiego z dr Mateuszem Dyndałem

W 2012 roku fizycy wpadli na pomysł, że takie oddziaływania powinno dać się obserwować w procesach zderzeń w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) w laboratorium CERN. Silne pole elektromagnetyczne emitują tam protony przyspieszane do prędkości bliskiej prędkości światła. Generowane pole elektromagnetyczne jest nawet jeszcze większe, gdy do podobnej prędkości przyspieszane są tam jony ołowiu. Wtedy, gdy takie dwa jony spotkają się ze sobą w miejscu interakcji, to działa jak impuls laserowy. Dwa fotony, pochodzące od tych dwóch jonów mogą się rozproszyć i zostać zarejestrowane.

Badacze z DESY, IFJ, AGH i JGU wykorzystali dane zarejestrowane w detektorze ATLAS w 2015 roku i przeszukali je pod kątem tego typu zjawiska. Po przeanalizowaniu skutków około 4 miliardów zderzeń udało im się znaleźć... 13 przypadków prawdopodobnego rozproszenia fotonu na fotonie. Ponieważ zjawisko jest tak rzadkie i udało się znaleźć nieliczne przypadki, statystyczna dokładność pomiarów jest wciąż niewystarczająca, by uznać je za pewne odkrycie. By zjawisko potwierdzić i lepiej opisać, potrzebne będą dalsze eksperymenty. Dr Dyndał mówi RMF FM, że liczy na przynajmniej drugie tyle zarejestrowanych przypadków, co pozwoliłoby na dostatecznie dokładny opis zjawiska. Kolejną rundę zderzeń wiązek jonów ołowiu zapowiedziano w LHC na koniec przyszłego roku.

Jak podkreśla dr Dyndał, dalsze badania mogą otworzyć drogę do tak zwanej nowej fizyki, odkrycia zjawisk poza dotychczas obowiązującym w opisie cząstek elementarnych Modelem Standardowym. To mogłoby na przykład doprowadzić do wykrycia cząstek tak zwanej ciemnej materii. Na razie wszystko jeszcze pozostaje w zgodzie z Modelem Standardowym, ale większa ilość danych powinna pozwolić na testowanie innych hipotez. W oczekiwaniu na nową serię pomiarów autorzy pracy liczą na nowe sugestie teoretyków.