"По сути, мы рассматриваем столкновения света", - сказал Вэй Ли, адъюнкт-профессор физики и астрономии в университете Риса и соавтор исследования, опубликованного в Письма с физическим обзором.

"Мы знаем от Эйнштейна, что энергия может быть преобразована в массу", - сказал Ли, физик элементарных частиц, который сотрудничает с сотнями коллег в экспериментах на ускорителях частиц высоких энергий, таких как Большой адронный коллайдер Европейской организации ядерных исследований (БАК) и релятивистский коллайдер тяжелых ионов Брукхейвенской национальной лаборатории (RHIC)..

Ускорители, такие как RHIC и LHC, обычно превращают энергию в материю, ускоряя части атомов почти до скорости света и сталкивая их друг с другом. Примечательным примером является открытие частицы Хиггса на БАК в 2012 году. В то время Хиггс был последней ненаблюдаемой частицей в Стандартной модели, теории, которая описывает фундаментальные силы и строительные блоки атомов.

Как бы впечатляюще это ни звучало, физики знают, что стандартная модель объясняет лишь около 4% вещества и энергии во Вселенной. Ли сказал, что исследование, проведенное на этой неделе, ведущим автором которого был постдокторант Райс Шуай Янг, имеет значение для поиска физики за пределами стандартной модели.

"Есть статьи, предсказывающие, что вы можете создавать новые частицы из этих столкновений ионов, что у нас такая высокая плотность фотонов в этих столкновениях, что эти взаимодействия фотон-фотон могут создать новую физику, выходящую за рамки стандартной модели", - сказал Ли.

Янг сказал: "Чтобы искать новую физику, нужно очень точно понимать процессы стандартной модели. Эффект, который мы здесь наблюдали, ранее не рассматривался, когда люди предлагали использовать межфотонные взаимодействия для поиска новой физики. И чрезвычайно важно принимать это во внимание".

Эффект, описанный Янгом и его коллегами, возникает, когда физики ускоряют встречные пучки тяжелых ионов в противоположных направлениях и направляют пучки друг на друга. Ионы являются ядрами массивных элементов, таких как золото или свинец, и ускорители ионов особенно полезны для изучения сильного взаимодействия, которое связывает фундаментальные строительные блоки, называемые кварками, в нейтронах и протонах атомных ядер. Физики использовали столкновения тяжелых ионов, чтобы преодолеть эти взаимодействия и наблюдать как кварки, так и глюоны, частицы, которыми кварки обмениваются, когда они взаимодействуют с помощью сильной силы.

Но ядра - не единственные объекты, которые сталкиваются в ускорителях тяжелых ионов. Ионные пучки также создают электрические и магнитные поля, которые окутывают каждое ядро в пучке собственным облаком света. Эти облака движутся вместе с ядрами, и когда облака из противоположных лучей встречаются, отдельные частицы света, называемые фотонами, могут встретиться лоб в лоб.

В исследовании PRL, опубликованном в июле, Янг и его коллеги использовали данные RHIC, чтобы показать, что столкновения фотон-фотон производят материю из чистой энергии. В экспериментах световые вспышки происходили вместе со столкновениями ядер, которые создавали первичный суп, называемый кварк-глюонной плазмой, или QGP.

"В RHIC вы можете добиться того, чтобы столкновение фотон-фотон создавало свою массу одновременно с образованием кварк-глюонной плазмы", - сказал Янг. "Итак, вы создаете эту новую массу внутри кварк-глюонной плазмы".

Докторская диссертация Янга по данным RHIC, опубликованная в PRL в 2018 году, предполагает, что столкновения фотонов могут оказывать незначительное, но измеримое влияние на плазму. Ли сказал, что это одновременно интригующе и удивительно, потому что столкновения фотонов - это электромагнитное явление, а в кварк-глюонной плазме доминирует сильное взаимодействие, которое намного мощнее электромагнитного.

"Для сильного взаимодействия с кварк-глюонной плазмой недостаточно только наличия электрического заряда", - сказал Ли. "Вы не ожидаете, что он будет очень сильно взаимодействовать с кварк-глюонной плазмой".

Он сказал, что для объяснения неожиданных находок Янга было предложено множество теорий.

"Одно из предлагаемых объяснений состоит в том, что взаимодействие фотон-фотон будет выглядеть по-другому не из-за кварк-глюонной плазмы, а потому, что два иона просто становятся ближе друг к другу", - сказал Ли. "Это связано с квантовыми эффектами и тем, как фотоны взаимодействуют друг с другом".

Янг предположил, что если квантовые эффекты вызвали аномалии, они могли бы создавать обнаруживаемые интерференционные картины, когда ионы едва не разминулись друг с другом, но фотоны из их соответствующих световых облаков столкнулись.

"Таким образом, два иона не ударяются друг о друга напрямую", - сказал Ян. "Они действительно проходят мимо. Это называется ультрапериферальным столкновением, потому что фотоны сталкиваются, но ионы не ударяются друг о друга".

Теория предполагала, что картины квантовой интерференции от ультрапериферийных столкновений фотон-фотон должны изменяться прямо пропорционально расстоянию между проходящими ионами. Используя данные эксперимента LHC по компактному мюонному соленоиду (CMS), Ян, Ли и коллеги обнаружили, что они могут определить это расстояние или параметр удара, измеряя что-то совершенно другое.

"Два иона, по мере того как они сближаются, повышается вероятность того, что ион может возбудиться и начать испускать нейтроны, которые идут прямо по линии пучка", - сказал Ли. "У нас есть детектор для этого в CMS".

Каждое ультрапериферийное столкновение фотон-фотон производит пару частиц, называемых мюонами, которые обычно разлетаются от столкновения в противоположных направлениях. Как и предсказывала теория, Ян, Ли и коллеги обнаружили, что квантовая интерференция искажает угол вылета мюонов. И чем короче расстояние между ионами, находящимися вблизи цели, тем больше искажение.

Ли сказал, что эффект возникает из-за движения сталкивающихся фотонов. Хотя каждый из них движется в направлении луча вместе со своим ионом-хозяином, фотоны также могут удаляться от своих хозяев.

"Фотоны тоже движутся в перпендикулярном направлении", - сказал он. "И точно так же оказывается, что это перпендикулярное движение становится сильнее по мере того, как параметр удара становится все меньше и меньше.

"Это создает впечатление, что что-то модифицирует мюоны", - сказал Ли. "Похоже, что одно движется под другим углом, но на самом деле это не так. Это артефакт того, как менялось движение фотона, перпендикулярное направлению луча, до столкновения, в результате которого образовались мюоны".

Янг сказал, что исследование объясняет большинство аномалий, которые он ранее выявил. Между тем, в ходе исследования был создан новый экспериментальный инструмент для контроля параметров воздействия фотонных взаимодействий, которые будут иметь далеко идущие последствия.

"Мы можем с уверенностью сказать, что большинство произошло из-за этого эффекта QED", - сказал он. "Но это не исключает, что все еще существуют эффекты, связанные с кварк-глюонной плазмой. Эта работа дает нам очень точную исходную линию, но нам нужны более точные данные. У нас еще есть по крайней мере 15 лет, чтобы собрать данные QGP в CMS, и точность данных будет становиться все выше и выше ".

БАК и CMS поддерживаются Европейской организацией ядерных исследований, Министерством энергетики, Национальным научным фондом и учреждениями, финансирующими научные исследования в Австрии, Бельгии, Бразилии, Болгарии, Китае, Колумбии, Хорватии, Кипре, Эквадоре, Эстонии, Финляндии, Франции, Германии, Греции, Венгрии, Индии, Иране, Ирландия, Италия, Южная Корея, Латвия, Литва, Малайзия, Мексика, Черногория, Новая Зеландия, Пакистан, Польша, Португалия, Россия, Сербия, Испания, Шри-Ланка, Швейцария, Тайвань, Таиланд, Турция, Украина и Соединенное Королевство.