物理学者は、光子と光子の衝突を初めて見ました

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物理学者は、光子と光子の衝突を初めて見ました
物理学者は、光子と光子の衝突を初めて見ました
Anonim
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光子-光子散乱のファインマン図。光子自体は中性粒子であるため、相互作用することはできません。したがって、一方の光子が粒子と反粒子のペアに変わり、もう一方の光子が相互作用します。

ATLASコラボレーションの物理学者は、光子による光量子、光子の散乱の影響を最初に登録しました。この効果は、量子電気力学の最も古い予測の1つであり、70年以上前に理論的に説明されましたが、実験的にはまだ発見されていません。興味深いことに、それは古典的なマクスウェル方程式に違反しており、純粋に量子現象です。この研究は今週、Nature Physics誌に掲載されましたが、記事のプレプリントが2017年2月に発表されました。彼についての詳細はポータル「Elements.ru」によって報告されました

古典的なマクスウェル電気力学の主な特性の1つは、真空中の電磁界の重ね合わせの原理です。さまざまな料金のフィールドを直接追加できます。光子は場の励起であるため、古典電磁気学の枠組みの中で相互作用することはできません。代わりに、それらは互いに自由に通過する必要があります。

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ATLAS検出器の磁石

量子電気力学は、光速に近い荷電粒子の運動に対する古典理論の効果を拡張し、さらに、場のエネルギーの量子化を考慮に入れます。このため、量子電気力学では、高エネルギープロセスに関連する異常な現象を説明することができます。たとえば、高強度場での真空からの電子と陽電子のペアの作成などです。

量子電気力学では、2つの光子が互いに衝突して散乱する可能性があります。しかし、このプロセスは直接進行しません-軽い量子は帯電しておらず、互いに相互作用することはできません。代わりに、1つの光子からの粒子-反粒子(電子-陽電子)の仮想ペアの中間形成があり、2番目の光子が相互作用します。このようなプロセスは、可視光量子ではほとんどありません。これは、100億光年離れたクエーサーからの光が地球に到達するという事実から推定することができます。しかし、光子エネルギーの増加に伴い、仮想電子の生成を伴うプロセスの確率が増加します。

これまで、最も強力なレーザーの強度とエネルギーでさえ、光子の散乱を直接見るのに十分ではありませんでした。しかし、研究者たちは、このプロセスを間接的に見る方法をすでに見つけています。たとえば、1つの光子が原子の重い原子核の近くで1対の低エネルギー量子に崩壊する場合などです。

大型ハドロン衝突型加速器でのみ、光子による光子の散乱を直接見ることができました。このプロセスは、2015年に加速器の粒子エネルギーを増加させた後の実験で区別できるようになりました-実行2の開始により、ATLASコラボレーションの物理学者は、コライダーによって加速された重い鉛原子核間の「超周辺」衝突のプロセスを5テラエレクトロンボルトのエネルギーに調査しました核の核子あたり。このような衝突では、原子核自体が直接衝突することはありません。代わりに、それらの電磁場の相互作用があり、巨大なエネルギーの光子が現れます(これは、原子核の速度が光速に近いためです)。

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光子間散乱イベント(黄色のビーム)

超周辺衝突は非常にクリーンです。それらの中で、散乱が成功した場合、異なる方向に向けられた横方向の運動量を持つ光子のペアだけがあります。対照的に、核の通常の衝突は、何千もの新しい粒子フラグメントを形成します。鉛原子核の衝突の統計に基づいて2015年にATLASによって収集された40億のイベントの中から、科学者は散乱に対応する13を選択することに成功しました。これは、物理学者が期待するバックグラウンド信号の約4.5倍です。

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コライダーの散乱過程の図。 2つの原子核が接近して飛ぶ-それらの電磁場は相互作用する

共同研究は、2018年の終わりに、衝突型加速器で再び重い原子核衝突のセッションが行われるときに、プロセスを調査し続けます。興味深いことに、別の実験であるALICEは重い原子核の衝突を分析するために特別に設計されましたが、光子間散乱のまれなイベントの検索に適していることが判明したのはATLAS検出器でした。

現在、大型ハドロン衝突型加速器では、陽子-陽子衝突の統計の収集が続けられています。科学者たちは最近、加速器での最初の二重チャームドバリオンの発見について報告し、春に戻って、ATLASコラボレーションの物理学者は、高エネルギー領域での2つの弱い相互作用ボソンの生成の異常な過剰イベントについて話しました(約3テラエレクトロンボルト)。これは、新しい超重粒子を示している可能性がありますが、信号の統計的有意性はまだ3シグマを超えていません。

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