Urychlovač LHC může pracovat i jako zdroj vysokoenergetických fotonů gama a studovat vlastnosti elektromagnetické a elektroslabé interakce (zdroj CERN).

V nedávném článku o zajímavých prezentacích na konferenci ICHEP 2020 organizované v Praze jsou popsány velmi vzácné typy rozpadu nabitých mezonů K, které se popisují pomocí Feynmanova diagramu s uzavřenou smyčkou a probíhají tak s extrémně malou pravděpodobností. Na stejné konferenci byly prezentovány i výsledky pozorování velmi vzácného procesu, kdy se při srážce dvou fotonů produkují dva bosony W s opačným nábojem. V tomto případě se silné elektrické pole dvou jader, která kolem sebe prolétají při srážení dvou svazků na urychlovači LHC, využívají pro produkci fotonů s vysokou energií a studium jejich interakce. Prozatímním vrcholem tohoto výzkum je pak produkce páru bosonu W⁺ a W^-, která potvrzuje interakci čtyř intermediálních částic, kterou předpovídá právě teorie elektroslabých interakcí. Než se podrobněji podíváme na tuto reakci, zopakujme si dosavadní výsledky studia rozptylu fotonu na fotonech.

Rozptyl fotonu na fotonu

Elektromagnetické vlnění nenese náboj, proto nemůže ve vakuu v klasickém přiblížení interagovat. Kvantová elektrodynamika předpověděla nejen kvantový charakter elektromagnetického pole a existenci fotonů, ale také existenci rozptylu fotonu na fotonech. Foton v kvantové elektrodynamice nemůže interagovat kvůli tomu, že nemá náboj, s druhým fotonem přímo, ale pouze prostřednictvím virtuálních párů nabitých fermionů.

Nejjednodušší Feynmanův diagramů pružného rozptylu fotonu na fotonu. Jde o uzavřenou smyčku se čtyřmi vrcholy, a tedy velmi malou pravděpodobností. (Zdroj Jan A. Lauber, UCL.)

Ty vznikají a zanikají při jeho pohybu ve vakuu. Pokud se tak setká s druhým fotonem, interaguje tento s těmito nabitými fermiony. Pokud má jít o pružný rozptyl fotonů a v koncovém stavu tak máme opět dva fotony, dostáváme nejjednodušší Feynmanův diagram se čtyřmi vrcholy a uzavřenou smyčkou. To znamená, že jde o jev s extrémně malou pravděpodobností. Potřebovali bychom tak k jejímu pozorování extrémně intenzivní svazky fotonů. Zároveň by se fotony po rozptylu velice těžko odlišovaly od fotonů vznikajících při různých pozaďových jevech, kterým se žádný reálný experiment nedokáže vyhnout.

Jednodušší situace je v případě, kdy dojde k nepružnému rozptylu, kdy vzniknou nové částice v podobě páru reálných fermionů. V tom případě musí energie fotonů dosáhnout nebo překročit klidovou energii těchto nově vzniklých částic. Pokud tento rozptyl neproběhne v těžišti, musí být celková energie i mnohem vyšší než tato klidová energie. Vlivem kinematiky dané zákony zachování energie a hybnosti musí značná část energie zůstat v pohybu těžiště a jen část celkové kinetické energie lze využít na produkci nových částic. To je důvod, proč pro studium nepružného rozptylu fotonů potřebujeme svazek fotonů s dostatečně vysokou energií. Klidová energie elektronů je 0,511 MeV, takže fotony musí mít energii charakteristickou pro záření gama.

Nejjednodušší diagram produkce páru leptonu a antileptonu při nepružném rozptylu fotonu s fotonem

V případě nepružného rozptyluje sice nejjednodušší diagram pouze se dvěma vrcholy a pravděpodobnost (účinný průřez) je vyšší, ale i tak je potřeba intenzivní svazky fotonů. Intenzivní svazky fotonů s nízkou energií nejsou problém. Excelentní jejich zdroje jsou lasery. Mnohem větším problémem je získání intenzivního svazku fotonů gama. Jednou s možností jejich produkce je využití elektronových svazků s vysokou energií, které se srážejí s velmi intenzivním svazkem laseru. V tomto případě se při pružném rozptylu elektronu na fotonu předá část jeho energie fotonu a získáme vysokoenergetický foton. Tento jev se také označuje jako inverzní comptonovský rozptyl, s odkazem na rozptyl fotonu gama s elektronem v klidu. Takto získaný svazek fotonů gama se pak pošle proti dalšímu intenzivnímu laserovému svazku. Pokud není energie fotonu gama a fotonu viditelného světla z laseru dostatečná na produkci páru elektron a pozitron, je možné využít toho, že intenzita laserového svazku je extrémně vysoká. Je tak i vysoká pravděpodobnost, že foton gama bude interagovat s více fotony laseru najednou.

Poprvé se tento experiment podařilo uskutečnit pomocí největšího lineárního urychlovače elektronů SLAC ve Stanfordu v roce 1998. Pomocí pružného rozptylu svazku urychlených elektronů na intenzivním svazku laseru se získal svazek fotonů gama. Ten pak v nepružných srážkách na intenzivním svazku laseru produkoval páry elektronu a pozitronu, které byly detekovány experimentem E144. Potvrdila se tak existence nepružného rozptylu dvou reálných fotonů, která vede k produkci páru elektron a pozitron, odpovídající předpovědím kvantové elektrodynamiky.

Ten experiment je mi blízký, protože se ho týkal můj první článek v časopise Vesmír. Jednalo se o diskuzi s kolegou Valentou k tomuto tématu. I zde jsem zdůrazňoval, že hlavním přínosem bylo potvrzení předpovědí kvantové elektrodynamiky o existenci nepružného rozptylu reálného fotonu s reálným fotonem ve vakuu, což je něco hodně jiného, než interakce světla a fotonů v prostředí.

I v současné době probíhají úvahy o vylepšení těchto experimentů založené hlavně na využití intenzivních urychlovačů elektronů, postavených případně i na laserovém urychlování elektronů, a popsaném jejich obráceném comptonovském rozptylu na fotonech laseru. V každém případě by takové dedikované pracoviště mohlo získat velice zajímavé výsledky.

Část tunelu a lineárního urychlovače SLAC (zdroj SLAC).

Produkce fotonů v ultraperiferních srážkách na LHC

Další možnost studia pružného i nepružného rozptylu fotonu s fotonem je využití intenzivního elektrického pole jádra a pohybující se nabité částice v něm k produkci fotonů s vysokou energií a studiem jejich interakci. Produkce virtuálních i reálných fotonů při interakci elektromagnetického pole při blízkém průletu nabitých jader a produkce páru elektronu a pozitronu byla pozorována a využívána již dříve. Použila se například při první produkci antivodíku v laboratořích CERN a FERMILAB. V tomto případě je vhodnější mluvit o kvazi-reálných fotonech než reálných. Pravděpodobnost produkce těchto párů je poměrně vysoká a dobře v rámci Standardního modelu počítána. Využívá se tak v některých případech pro normalizaci měření zacílených na vzácnější procesy.

Zajímavý zlom přišel s pokrokem v analýze srážek protonů a těžkých iontů na urychlovači LHC. Ten umožnil vybírat ultraperiferní srážky, při kterých prolétly protony nebo jádra ve specifické vzdálenosti od sebe. Ta byla dostatečně velká, aby neinteragovaly silnou interakcí, která má omezený malý dosah. Na druhé straně se k sobě dostaly dostatečně blízko, aby intenzivně interagovala jejich elektrická pole. Zároveň byl vzájemný pohyb obou elektrických nábojů extrémně rychlý.

Případ nejjednoduššího Feynmanova diagramu realizace pružného rozptylu fotonu na fotonu s využitím srážky protonů nebo těžkých iontů a vzniku kvazi-reálných fotonů (zdroj: D. dÉnterria a G. Da Silveria, Phys. Rev. Lett. 111, 080405)

Je tak relativně vysoká pravděpodobnost, že vzniknou fotony s velmi vysokou energií a budou vzájemně interagovat. Jak bylo zmíněno, jde v tomto případě spíše o kvazi-reálné fotony. Urychlovač LHC se tak v jistém smyslu stává zdrojem fotonů s velmi vysokou energií. Získáme tak velmi efektivní nástroj pro studium rozptylu dvou fotonů a potvrzování předpovědí kvantové elektrodynamiky a teorie elektroslabé interakce, která propojuje popis slabé interakce a kvantovou elektrodynamiku.

Brzy se tak objevily návrhy využít ultraperiferní srážky protonů, a hlavně těžkých iontů (jader olova), pro studium elektromagnetické a slabé interakce popisované teorií elektroslabé interakce. Možnost studia pružného rozptylu fotonů se na něm uvažovala už při jeho přípravách.

Takové experimenty musely čekat na realizaci detekčních systémů nabitých částic v dopředném směru, které umožnily identifikovat ty případy, kdy nevznikly žádné nabité hadrony a nedošlo tak s největší pravděpodobností k silné interakci. Zároveň však byly zachyceny páry fermionu a antifermionu nebo bosony související s elektroslabou interakcí. Takto byly identifikovány právě ultraperiferní srážky s rozptylem dvou fotonů.

V roce 2016 se podařilo získat první evidenci pružného rozptylu dvou vysokoenergetických fotonů generovaných při ultraperiferních srážkách jader olova. Přesná analýza souboru dat získaných v druhém běhu experimentování LHC, který skončil v závěru roku 2018, umožnila pozorování 97 případů dvojic rozptýlených fotonů gama, z nichž by zhruba 27 mělo tvořit pozadí z různých procesů, které nelze od hledaných případů odfiltrovat. Jejich počet však lze odhadnout s modelů a simulace experimentu. Výsledná pravděpodobnost (účinný průřez) je velmi citlivý k projevům exotické fyziky. Zatím je však v mezích prozatím velmi vysokých nejistot měření v souladu s předpovědí kvantové elektrodynamiky a Standardního modelu.

V případě nepružného rozptylu se nejdříve takto podařily identifikovat a pozorovat případy nepružného rozptylu, při kterém vznikaly páry fermionu a antifermionu. Jak už bylo zmíněno, pravděpodobnost těchto jevů je relativně vysoká a dají se poměrně snadno identifikovat. Studoval se tak vznik párů elektronu a pozitronu i produkce mionu a antimionu, které umožňují testovat kvantovou elektrodynamiku. Nyní se podrobnou analýzou dat z druhého běhu experimentů ATLAS a CMS podařilo identifikovat případy produkce dvojice kladného a záporného bosonu W. Při nich už jsou zúčastněny i bosony slabé interakce, nestačí nám Feynmanovy diagramy kvantové elektrodynamiky, ale potřebujeme širší teorii elektroslabé interakce. Jde tak o skvělý test této teorie.

Jeden z nejjednodušších Feynmanových diagramů nepružného rozptylu fotonů s produkcí páru záporného a kladného bosonu W (zdroj: experiment ATLAS).

V budoucnu se předpokládá také studium produkce Z0 bosonů a higgsů. Ty však potřebují, podobně jako pružný rozptyl fotonu na fotonu, i v nejjednodušším případě Feynmanův diagram s uzavřenou smyčku a více vrcholy, než jsou dva. Jsou tak daleko méně pravděpodobné, ale zase velmi citlivé k exotické fyzice za Standardním modelem.

Nejen GZK (Greisen-Zatsepin-Kuzmin) limita

Nepřímo bude v budoucnu možné pozorovat dopady nepružného rozptylu fotonu na fotonu ve spektru vysokoenergetického kosmického záření gama. Pokud energie fotonu gama tohoto kosmického záření překročí určitou limitní energii, která je 80 TeV, postačuje dostupná energie k tomu, aby při rozptylu tohoto fotonu na fotonu mikrovlnného reliktního záření vznikl pár elektron a pozitron. Vzhledem k tomu, že hustota fotonů reliktního záření je velmi vysoká a pravděpodobnost tohoto rozptylu není malá, nedostane se záření s touto energií do větší vzdálenosti od svého zdroje. Ve spektru kosmického záření gama z vesmíru tak budeme pozorovat limitu při energii 80 TeV, která toto spektrum ořízne. K takovým energiím jsme se zatím v našich pozorováních nedostali. V budoucnu bychom však mohli tuto limitu potvrdit.

Podobnou limitu ve spektru protonového kosmického záření už se pozorovat podařilo. S konečnou platností její existenci potvrdil experiment Auger, který pozoruje kosmické záření extrémních energií. V tomto případě limita vzniká při takové energii, která stačí k tomu, aby se při reakci protonu kosmického záření s fotonem reliktního záření vyprodukoval mezon pí. Jeho produkce probíhá právě na úkor energie protonu kosmického záření. To se tak v případě, že má energii přesahující 10²⁰ eV, což je 10⁸ TeV, nedostane do větší vzdálenosti od svého zdroje. Tato limita se označuje jako GZK limita. Výpočet těchto limitních energií je pěkný příklad ultrarelativistické kinematiky, a i já je rád při cvičení se studenty využívám. Podobně je to s inverzním comptonovským rozptylem zmiňovaným na začátku článku.

Experiment ATLAS studuje pomocí ultraperiferních srážek pružný i nepružný rozptyl kvazireálných fotonů (zdroj CERN).

Závěr

Pozorování elektroslabých procesů při rozptylu dvou kvazi-reálných fotonů s vysokou energií, který se realizuje na experimentech ATLAS a CMS s využitím ultraperiferních srážek protonů nebo jader olova na urychlovači LHC, je ideálním nástrojem pro hledání rozdílu mezi Standardním modelem a jeho teorií elektroslabé interakce a realitou. V budoucnu by pak mohl odhalit příznaky exotické fyziky za Standardním modelem. Zatím však všechna pozorování v rámci experimentálních nejistot standardní teorii elektroslabých interakcí plně odpovídají. Nová perioda urychlování, která začne v příštím roce s vylepšeným urychlovačem i detektorovými sestavami by mohl přinést v této oblasti zásadní zlepšení.

Podrobnější rozbor je v článku experimentu ATLAS o pozorování produkce párů W⁺ a W^- bosonů v nepružném rozptylu dvojice fotonů.

Na experimentech s pružným i nepružným rozptylem dvou fotonů se podílejí i naši studenti. Například v rámci přípravy vypracoval David Gančarčík bakalářskou práci o této problematice. Jak se žije českým částicovým fyzikům v laboratoři CERN, se můžete podívat v tomto kresleném a hraném videu:

Pojmy spojené s vakuem, virtuálními a reálnými částicemi jsou populárně rozebrány v přednášce z roku 2005 (ZDE)