Rozptyl světla světlem. Kredit: ATLAS / CERN.

Vše nasvědčuje tomu, že v CERNu neusnuli na vavřínech. Fyzici týmu detektoru ATLAS, jednoho ze zařízení Velkého hadronového srážeče LHC, si nedávno připsali další významný úspěch. Poprvé v historii pozorovali vysokoenergetický rozptyl světla světlem (light-by-light scattering).

To je velmi vzácný kvantový jev, při němž se dva fotony, čili dvě částice elektromagnetického záření, navzájem ovlivní a změní směr letu. Tento počin je vlastně potvrzením jedné z nejstarších předpovědí kvantové elektrodynamiky, který si vysloužil publikaci v časopise Nature Physics.

Dan Tovey. Kredit: CERN.

Podle britského fyzika Dana Toveyho z Univerzity ve Sheffieldu, který v CERNu zastává pozici Koordinátora fyziky detektoru ATLAS, je to skutečný průlom. Jde o první přímý důkaz toho, že světlo může v prostředí vysokých energií interagovat samo se sebou. V klasických teoriích elektromagnetismu je tento fenomén nemožný. Proto je pozorování rozptylu světla světlem významným testem našich představ o kvantové teorii elektromagnetismu.

Rozptyl světla světlem v detektoru ATLAS. Kredit: ATLAS / CERN.

Vědci se o tohle pozorování snažili celá desetiletí. Bylo to ale marné. Reálnou možnost pozorovat tento výjimečný jev nabídlo až opětovné spuštění upgradovaného LHC. Od roku 2015 sráží LHC částice s extrémními energiemi a jednou z věcí, po nichž intenzivně šli lidé z týmu LHC, byl právě rozptyl světla světlem. Spočítali si, že by z dat získaných srážkami těžkých iontů olova mohli vytáhnout vytoužený signál kvantového jevu.

Ikonický detektor ATLAS. Kredit: CERN.

Právě srážky těžkých iontů nabízejí velmi vhodné prostředí pro studium rozptylu světla světem. Když LHC urychlí svazek těžkých iontů, tak ho doprovází rozsáhlý proud fotonů. Když se urychlené těžké ionty střetnou uprostřed detektoru ATLAS, tak se jich pár srazí. Přitom se ale také setkají doprovodné fotony a mohou na sebe navzájem působit. V urychlovačském slangu se tomu říká ultraperiferální kolize.

Badatelé analyzovali data z více než 4 miliard srážek z roku 2015. V nich vytipovali 13 kandidátů na rozptyl světla světlem, mezi nimiž nakonec dospěli k potvrzení tohoto jevu s přijatelnou statistikou. Objev si vyžádal úpravy technologií detektoru ATLAS, protože interakce fotonů jsou dost odlišné od toho, co zařízení detektoru ATLAS obvykle analyzuje – úžasně komplikované srážky extrémně urychlených částic.

Výzkum rozptylu světla světlem nekončí, vědci si to očividně chtějí pořádně užít. Posádka detektoru ATLAS se již připravuje na srážky těžkých iontů, které by na LHC měly proběhnout v roce 2018. Mnozí doufají, že dále zpřesní pozorování tohoto kvantového jevu a možné se i dostanou na stopu nějaké nové fyziky.

Video
Inside CERN's ATLAS Particle Detector

Literatura
CERN 14. 8. 2017, Nature Physics online 14. 8. 2017.