La luz interactúa consigo misma a alta energía

Físicos del experimento ATLAS del Centro Europeo de Física de Partículas (CERN) han encontrado la primera evidencia directa de la dispersión de luz por luz a alta energía, un proceso muy raro en el que dos fotones, o partículas de luz, interactúan y cambian de dirección. El efecto es un fenómeno puramente cuántico.

El resultado, publicado en "Nature Physics", confirma una de las más antiguas predicciones de la electrodinámica cuántica, inform el CERN en un comunicado. "Esta es la primera prueba directa de que la luz interactúa consigo misma a alta energía", explica el coordinador de Física de ATLAS, Dan Tovey, de la Universidad de Sheffield.

"Este fenómeno es imposible en las teorías clásicas del electromagnetismo, por lo que este resultado supone un test sensible de nuestra comprensión de la teoría cuántica del electromagnetismo", añade.

Desde hace décadas se busca una evidencia directa de la difusión de la luz por luz de alta energía, aunque sin éxito hasta la segunda ejecución del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en 2015. Cuando las colisiones de iones de plomo en el acelerador alcanzaron un nivel sin precedentes, la posibilidad de observar un índice de difusión de la luz por la luz a alta energía se hizo finalmente realidad.

Esta medida interesa especialmente a los especialistas de iones pesados y de la física de altas energías desde hace muchos años, particularmente después de que los cálculos realizados por algunos grupos habían demostrado que podríamos obtener una señal significativa estudiando las colisiones de iones de plomo de la segunda  ejecución del LHC, explica Peter Steinberg, responsable del grupo ATLAS para la física de iones pesados.

Las colisiones de iones pesados constituyen en entorno excepcionalmente apropiado para el estudio de la difusión luz-luz. La aceleración de paquetes de iones de plomo engendra un inmenso flujo de fotones alrededor de los iones. Cuando estos flujos se encuentran en el centro del detector ATLAS, algunos iones entran en colisión, pero los fotones que los rodean pueden interactuar y rebotar los unos contra los otros. Estas interacciones se llaman “colisiones ultra periféricas”.

Al estudiar más de 4.000 millones de eventos en 2015, la colaboración ATLAS encontró 13 candidatos para la dispersión de luz por luz. El resultado tiene una significación de 4,4 desviaciones estándar, lo que permite informar de la primera evidencia directa de este fenómeno a alta energía.

Algo tremendamente complejo

Para encontrar pruebas de esta rareza se requirió el desarrollo de un nuevo 'disparador' sensible para el detector ATLAS, añade Peter Steinberg.

El fenómeno observado, dos fotones en un detector por lo demás vacío, es casi diametralmente opuesto al tremendamente complejo evento que se espera típicamente de las colisiones de los núcleos de plomo, señaló.

Los físicos de ATLAS van a continuar estudiando la difusión de la luz por la luz a alta energía durante la próxima ejecución del LHC con iones pesados, que está prevista para 2018.

En esa ocasión, los resultados serán aún más precisos, lo que podría abrir nuevas perspectivas al estudio sobre la nueva física.

Las colisiones ultra periféricas deben jugar un papel determinante en el programa de iones pesados del LHC, a medida que aumenta la tasa de colisiones, en la tercera ejecución del LHC y siguientes.

Referencia

Evidence for light-by-light scattering in heavy-ion collisions with the ATLAS detector at the LHC. Nature Physics (2017) doi:10.1038/nphys4208