{"id":1321,"date":"2017-08-15T09:01:51","date_gmt":"2017-08-15T07:01:51","guid":{"rendered":"https:\/\/web.infn.it\/atlas-8eeeb5a902a9\/?p=1321"},"modified":"2022-02-14T09:46:48","modified_gmt":"2022-02-14T08:46:48","slug":"theres-a-crack-in-heavy-ions-thats-how-the-light-gets-in","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/web.infn.it\/atlas\/theres-a-crack-in-heavy-ions-thats-how-the-light-gets-in\/","title":{"rendered":"“There’s a crack in heavy ions. That’s how the light gets in!”"},"content":{"rendered":"
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Se pensate che gli eventi prodotti in una “normale” collisione protone-protone (p-p) <\/span>ad <\/span>LHC siano complicati (Fig.1), provate ad immaginare cosa succede quando a scontrarsi sono ioni <\/span>di<\/span> Piombo (Pb-Pb) costituiti da <\/span>208<\/span> nucleoni, 82 protoni e <\/span>126<\/span> neutroni (Fig. 1).<\/span><\/p>\n<\/div>\n

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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.<\/p><\/div>\n<\/div>\n

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Scoraggiante? No. Sorprendente, piuttosto, perch\u00e8<\/span> 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 <\/span>coinvolge<\/span> il comportament<\/span>o <\/span>quantistico della luce: lo scattering <\/span>fotone-fotone<\/span> (Fig. 2 Sinistra).<\/span><\/div>\n
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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.<\/p><\/div>\n<\/div>\n

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La teoria classica di Maxwell per l\u2019elettromagnetismo non permette questo processo che pu\u00f2 avvenire solo se entra in gioco la meccanica quantistica. Bench\u00e8 possibile, questo fenomeno \u00e8 tuttavia estremamente poco probabile e, pertanto, difficile da misurare sperimentalmente. La misura del momento magnetico anomalo dell\u2019elettrone 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!
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ATLAS ha pubblicato su\u00a0 Nature Physics\u00a0 un articolo<\/a> 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\u00a0\u00e8 responsabile della produzione di un gran numero di particelle nello stato finale.\u00a0<\/span><\/div>\n
Per poter osservare lo scattering luce-luce sono necessarie le collisioni di ioni UltraPeriferiche (UPC), in cui gli ioni si sfiorano con parametri d\u2019impatto maggiori del raggio degli ioni stessi (Fig. 2 Destra).\u00a0 Le collisioni UPC ci permettono, allo stesso tempo, di mettere fuori gioco l\u2019interazione forte e di osservare campi magnetici tra i due ioni pari a 1025<\/sup> V\/m, superiori al limite di Schwinger oltre il quale gli effetti quantistico-relativistici diventano importanti.<\/span><\/div>\n<\/div>\n
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Il processo studiato \u00e8 <\/span>la produzione <\/span>esclusiva di due fotoni: PbPb (\u03b3\u03b3)->Pb(*)Pb(*)\u03b3\u03b3.<\/span> La caratteristica peculiare di questo processo, confrontato con quello a cui siamo abituati in una tipica collisione PbPb, \u00e8 che lo stato finale coinvolge solo due fotoni, e nient\u2019altro!<\/span> I due ioni di Pb, eventualmente eccitati, si perdono infatti nella beam pipe<\/em> e non contribuiscono alla segnatura finale.<\/span><\/div>\n<\/div>\n
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Un candidato di questo tipo di eventi e` riportato in Fig. 3. Il fondo <\/span>dominante <\/span>e` dato dal\u00a0 processo esclusivo PbPb->PbPb ee dove entrambi gli elettroni vengono erroneamente identificati come fotoni. Un totale di 13 candidati sono stati raccolti nei 480\u03bcb-1<\/sup> di collisioni raccolte da ATLAS, mentre il numero di eventi attesi \u00e8 stato stimato un totale di 2.6 eventi
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Fig. 3 Event Display di un candidato scattering elastico fotone-fotone ->fotone-fotone<\/p><\/div>\n<\/div>\n

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Le distribuzioni cinematiche dei due fotoni dello stato finale sono compatibili con<\/span><\/div>\n
le previsioni teoriche dello scattering luce-luce ottenute con l’approssimazione del fotone equivalente (EPA) e dei fondi (Fig. 4).
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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 acoplanarit\u00e0 del sistema dei due fotoni.<\/p><\/div>\n<\/div>\n

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La probabilita` che i processi di fondo emulino i dati e` stata misurata a 5×10-6<\/sup>, pari ad una significanza di 4.4 sigma, e la misura della sezione d’urto e` compatibile con le previsioni teoriche.<\/span><\/div>\n<\/div>\n
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Questo risultato \u00e8 estremamente importante perch\u00e8 rappresenta la prima misura diretta dello scattering elastico luce-luce, mai osservato prima nemmeno in esperimenti con laser ad altissima intensit\u00e0.\u00a0<\/span><\/div>\n

\nMa perch\u00e8 fermarci qui? Oltre a verificare un aspetto fondamentale della meccanica quantistica, e come molti i canali estremamente puliti, questo tipo di eventi ci \u00e8 utile per cercare anomalie nel Modello Standard come <\/span>accoppiamenti di gauge anomali, contributi da partner carichi supersimmetrici, monopoli, unparticles<\/em>, effetti di gravit\u00e0 a <\/span>basse energie e interazioni non commutative.<\/span><\/div>\n
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L\u2019approccio scientifico rimane lo stesso, misurare ci\u00f2 che conosciamo con la miglior precisione possibile \u00e8 il passo necessario verso possibili nuove scoperte, utilizzando il \u201cgioiello della fisica\u201d: l\u2019elettrodinamica quantistica.<\/span><\/div>\n<\/div>\n
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Referimenti bigliografici:<\/p>\n