Measurement of coincident photon-initiated processes in ultra-peripheral Pb+Pb collisions with the ATLAS detector
La collaboration ATLAS présente la première mesure de la production coïncidente de dimuons et de mésons rho dans les collisions Pb+Pb ultra-périphériques à 5,02 et 5,36 TeV, confirmant l'occurrence de processus induits par multi-photons et fournissant de nouvelles perspectives sur leur dépendance au paramètre d'impact.
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Dans l'environnement extrême d'un accélérateur de particules, les scientifiques peuvent recréer les conditions qui ont prévalu lors des premiers instants de l'univers. Une manière spécifique d'y parvenir consiste à fracasser des noyaux atomiques lourds les uns contre les autres, mais pas toujours de front. Parfois, les noyaux se frôlent à une certaine distance, évitant ainsi une collision directe. Parce que ces noyaux sont chargés de protons, ils transportent une charge électrique massive. Lorsqu'ils passent l'un à côté de l'autre à une vitesse proche de celle de la lumière, cette charge crée un éclat de lumière puissant et fugace composé de photons. En physique, il ne s'agit pas seulement de flashs lumineux, mais de véritables particules capables d'interagir avec d'autres formes de matière. Lorsque deux de ces particules entrent en collision, elles peuvent se transformer en de nouvelles particules, telles que des paires de muons, qui sont des cousins plus lourds de l'électron. Ce processus, connu sous le nom de diffusion photon-photon, est un phénomène bien compris qui permet aux chercheurs d'étudier les forces fondamentales de la nature sans les débris désordonnés d'un crash direct.
Cependant, les champs électromagnétiques intenses générés lors de ces passages rapprochés sont si puissants qu'ils peuvent faire plus que créer une simple paire de particules. Des modèles théoriques suggèrent depuis longtemps que, dans un seul événement, plusieurs interactions pourraient se produire simultanément. Imaginez un seul éclat de lumière si brillant qu'il pourrait déclencher deux réactions distinctes en même temps. Bien que les scientifiques aient déjà observé ces événements rares à particules multiples par le passé, ils n'avaient jamais mesuré une combinaison spécifique où une interaction crée une paire de muons tandis que, au même instant et lors de la même collision, une autre interaction crée un type de particule particulier appelé méson rho. Ce méson rho est instable et se désintègre rapidement en deux pions. Comprendre la fréquence à laquelle ces deux événements distincts se produisent ensemble, et comment cette fréquence varie en fonction de la proximité avec laquelle les noyaux se sont frôlés, offre une nouvelle fenêtre sur le comportement de la lumière et de la matière dans des conditions extrêmes.
Un chercheur utilisant le détecteur ATLAS du Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) a maintenant réalisé la première mesure de cette production coïncidente. Il a analysé les données de collisions de noyaux de plomb à deux niveaux d'énergie différents, enregistrées sur plusieurs années. Pour trouver ces événements rares, les scientifiques ont d'abord recherché la signature indubitable d'une paire de muons créée par la collision de deux photons. Cette paire a servi de « marqueur », confirmant qu'une interaction photon-photon avait eu lieu. Ils ont ensuite examiné la même collision pour voir si un méson rho avait également été produit, identifié par les deux pions qu'il a laissés derrière lui. Crucialement, ils ont exigé qu'aucune autre particule ne soit présente dans l'événement, garantissant que les deux processus se soient produits ensemble dans une collision propre et isolée, plutôt que d'être le résultat de deux accidents distincts se produisant au même moment.
Le chercheur a également prêté une attention particulière au « paramètre d'impact », qui est essentiellement la distance entre les centres des deux noyaux lorsqu'ils se sont frôlés. Il ne pouvait pas mesurer cette distance directement, mais il pouvait l'inférer en observant les neutrons émis lors de la collision. Si les noyaux passaient très loin l'un de l'autre, ils restaient intacts et n'émettaient aucun neutron. S'ils passaient plus près, le champ électromagnétique était assez fort pour éjecter des neutrons de l'un ou des deux noyaux. En triant les événements en fonction du nombre de neutrons détectés, l'équipe a pu regrouper les collisions selon la proximité de passage des noyaux. Ils ont constaté que le taux de ces événements coïncidents n'était pas constant ; il augmentait considérablement à mesure que les collisions devenaient plus proches. Dans les événements où les noyaux passaient le plus près l'un de l'autre, le taux d'observation conjointe d'une paire de muons et d'un méson rho était environ trente fois plus élevé que dans les événements où les noyaux passaient loin l'un de l'autre.
Lorsque le chercheur a combiné toutes les données, quelle que soit la distance entre les noyaux, il a trouvé que pour mille paires de muons exclusives produites, il y avait environ neuf instances où un méson rho était également créé lors de la même collision. Ce rapport spécifique, mesuré avec une grande précision, confirme que ces processus multi-photons sont une caractéristique réelle et mesurable des collisions ultra-périphériques. L'étude a également révélé que la probabilité de ce double événement change en fonction de l'énergie et de la vitesse des muons produits, fournissant de nouveaux indices sur la géométrie de l'interaction. Ces résultats valident les prédictions théoriques selon lesquelles de tels interactions complexes et simultanées se produisent assez fréquemment pour être étudiées en détail. En cartographiant précisément la fréquence à laquelle ces événements se produisent et sous quelles conditions, ce travail fournit de nouvelles données concrètes sur la façon dont les processus induits par les photons dépendent de la distance entre les noyaux en collision, approfondissant ainsi notre compréhension des forces électromagnétiques qui régissent le monde subatomique.
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