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“There’s a crack in heavy ions. That’s how the light gets in!”

15 Aug , 2017  

Se pensate che gli eventi prodotti in una “normale” collisione protone-protone (p-p) ad LHC siano complicati (Fig.1), provate ad immaginare cosa succede quando a scontrarsi sono ioni di Piombo (Pb-Pb) costituiti da 208 nucleoni, 82 protoni e 126 neutroni (Fig. 1).

Fig. 1 Event Display di una collisione tra nuclei di Piombo prodotta a LHC e rivelata da ATLAS. In arancione al centro le tracce ricostruite (particelle cariche), in giallo e verde i depositi energetici rispettivamente nel calorimetro elettromagnietico (elettroni e fotoni) e adronico (adroni). Le poche tracce arancioni che fuoriescono dal rivelatore sono muoni.

Scoraggiante? No. Sorprendente, piuttosto, perchè anche le collisioni Pb-Pb possono produrre stati finali estremamente puliti! Ed e` proprio tramite l’analisi di questi ultimi, che ATLAS e` riuscito ad osservare un processo di fisica fondamentale che coinvolge il comportamento quantistico della luce: lo scattering fotone-fotone (Fig. 2 Sinistra).

Fig. 2 Sinistra: Scattering fotone-fotone: a sinistra (Delbruck scattering) e centro (splitting del fotone) il fotone interagisce con i campi elettromagnetici dei nuclei; a destra scattering elastico fotone-fotone. Destra: Collisione ultraperiferica tra ioni pesanti.

La teoria classica di Maxwell per l’elettromagnetismo non permette questo processo che può avvenire solo se entra in gioco la meccanica quantistica. Benchè possibile, questo fenomeno è tuttavia estremamente poco probabile e, pertanto, difficile da misurare sperimentalmente. La misura del momento magnetico anomalo dell’elettrone e del muone ci permettono di testarlo in modo indiretto, ma una misura diretta dello scattering elastico luce-luce non era mai stata osservata in precedenza!
ATLAS ha pubblicato su  Nature Physics  un articolo Lunedi scorso, dove viene riportata la prima evidenza sperimentale diretta dello scattering elastico luce-luce sfruttando le collisioni Pb-Pb realizzate da LHC. In questo tipo di collisioni, l’interazione forte tra i nucleoni è responsabile della produzione di un gran numero di particelle nello stato finale. 
Per poter osservare lo scattering luce-luce sono necessarie le collisioni di ioni UltraPeriferiche (UPC), in cui gli ioni si sfiorano con parametri d’impatto maggiori del raggio degli ioni stessi (Fig. 2 Destra).  Le collisioni UPC ci permettono, allo stesso tempo, di mettere fuori gioco l’interazione forte e di osservare campi magnetici tra i due ioni pari a 1025 V/m, superiori al limite di Schwinger oltre il quale gli effetti quantistico-relativistici diventano importanti.
Il processo studiato è la produzione esclusiva di due fotoni: PbPb (γγ)->Pb(*)Pb(*)γγ. La caratteristica peculiare di questo processo, confrontato con quello a cui siamo abituati in una tipica collisione PbPb, è che lo stato finale coinvolge solo due fotoni, e nient’altro! I due ioni di Pb, eventualmente eccitati, si perdono infatti nella beam pipe e non contribuiscono alla segnatura finale.
Un candidato di questo tipo di eventi e` riportato in Fig. 3. Il fondo dominante e` dato dal  processo esclusivo PbPb->PbPb ee dove entrambi gli elettroni vengono erroneamente identificati come fotoni. Un totale di 13 candidati sono stati raccolti nei 480μb-1 di collisioni raccolte da ATLAS, mentre il numero di eventi attesi è stato stimato un totale di 2.6 eventi

Fig. 3 Event Display di un candidato scattering elastico fotone-fotone ->fotone-fotone

Le distribuzioni cinematiche dei due fotoni dello stato finale sono compatibili con
le previsioni teoriche dello scattering luce-luce ottenute con l’approssimazione del fotone equivalente (EPA) e dei fondi (Fig. 4).

Fig. 4 Distribuzioni cinematiche dello stato finale dei due fotoni. I dati raccolti (punti) sono paragonati agli eventi attesi da MC. A destra, la massa invariante dei due fotoni dopo il taglio in acoplanarità del sistema dei due fotoni.

La probabilita` che i processi di fondo emulino i dati e` stata misurata a 5×10-6, pari ad una significanza di 4.4 sigma, e la misura della sezione d’urto e` compatibile con le previsioni teoriche.
Questo risultato è estremamente importante perchè rappresenta la prima misura diretta dello scattering elastico luce-luce, mai osservato prima nemmeno in esperimenti con laser ad altissima intensità. 

Ma perchè fermarci qui? Oltre a verificare un aspetto fondamentale della meccanica quantistica, e come molti i canali estremamente puliti, questo tipo di eventi ci è utile per cercare anomalie nel Modello Standard come
accoppiamenti di gauge anomali, contributi da partner carichi supersimmetrici, monopoli, unparticles, effetti di gravità a basse energie e interazioni non commutative.
L’approccio scientifico rimane lo stesso, misurare ciò che conosciamo con la miglior precisione possibile è il passo necessario verso possibili nuove scoperte, utilizzando il “gioiello della fisica”: l’elettrodinamica quantistica.

Referimenti bigliografici:

  • ATLAS Collaboration, “Evidence for light-by-light scattering in heavy-ion collisions with the ATLAS detector at the LHC”, Nature Physics  doi:10.1038/nphys4208
  • D. d’Enterria and G. G. da Silveira, “Observing Light-by-Light Scattering at the Large Hadron Collider”, Phys. Rev. Lett. 111, 080405, arXiv:1305.7142

Giulia Ucchielli By



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