I fisici di ATLAS, uno dei quattro grandi esperimenti al superacceleratore LHC del CERN, per la prima volta hanno osservato in modo diretto lo scattering fotone-fotone (light-by-light scattering) ad alta energia. Si tratta di un processo molto raro in cui due fotoni – i quanti che “trasportano” la luce – interagiscono cambiando impulso, energia e direzione. Il risultato, pubblicato oggi sulla rivista Nature Physics, conferma così una delle prime previsioni dell'elettrodinamica quantistica (QED).
“Questo risultato è molto importante: è la prima prova diretta che la luce interagisce con se stessa alle alte energie”, sottolinea Marina Cobal, coordinatore INFN dell’esperimento ATLAS. “Questo fenomeno non è contemplato dall’elettromagnetismo classico e quindi quanto osservato fornisce una significativa prova della nostra comprensione della QED, la teoria quantistica dell'elettromagnetismo”, conclude Cobal.
Per ottenere questa prova, si è dovuto aspettare a lungo. I calcoli di diversi gruppi dimostravano che era possibile raggiungere un segnale significativo studiando collisioni di ioni di piombo nel RUN 2 di LHC: finalmente i fisici ci sono riusciti proprio con i dati raccolti nel corso del 2015, quando nell'acceleratore si sono scontrati ioni di piombo a energie senza precedenti, rendendo possibile l’osservazione del fenomeno.
Le collisioni di ioni pesanti permettono di studiare lo scattering fotone-fotone. Quando pacchetti di ioni di piombo sono accelerati, infatti, si genera attorno a loro un enorme flusso di fotoni. Quando poi gli ioni si incontrano al centro del rivelatore ATLAS, sono solo pochi quelli che effettivamente collidono, ma i fotoni vicini possono interagire l'uno con l'altro, dando appunto luogo al fenomeno dello scattering fotone-fotone. Queste interazioni sono conosciute come "collisioni ultra-periferiche".
Studiando più di 4 miliardi di eventi, la collaborazione ATLAS ha identificato 13 candidati per lo scattering fotone-fotone. Questo risultato ha una significatività statistica di 4.4 sigma, che ha permesso quindi alla collaborazione ATLAS di riportare le prime prove dirette di questo fenomeno ad alta energia.
Per trovare la prova di questo raro fenomeno è stato necessario lo sviluppo di un nuovo 'trigger' per il rivelatore ATLAS. Il successo del nuovo trigger nella selezione degli eventi dimostra la potenza e la flessibilità del sistema, nonché l'abilità e la competenza degli analizzatori e dei gruppi che lo hanno progettato e sviluppato. I fisici di ATLAS continueranno a studiare la scattering fotone-fotone durante il prossimo RUN di ioni pesanti a LHC, previsto nel 2018. Visto che i tassi di collisione aumenteranno ulteriormente nel RUN 3 e anche nel futuro di LHC, si avrà quindi un incremento statistico dei dati raccolti, che migliorerà ulteriormente la precisione del risultato: lo studio delle collisioni ultra-periferiche potrebbe svolgere un ruolo più importante nel programma a ioni pesanti di LHC.
