Measurement of coincident photon-initiated processes in ultra-peripheral Pb+Pb collisions with the ATLAS detector
De ATLAS-collaboratie presenteert de eerste meting van de gelijktijdige productie van dimuonen en rho-mesonen in ultra-perifere Pb+Pb-botsingen bij 5,02 en 5,36 TeV, waarmee het voorkomen van door meerdere fotonen geïnduceerde processen wordt bevestigd en nieuwe inzichten worden geboden in hun impactparameterafhankelijkheid.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
In de extreme omgeving van een deeltjesversneller kunnen wetenschappers omstandigheden recreëren die de eerste momenten van het universum nabootsen. Eén specifieke manier waarop zij dit doen, is door zware atoomkernen tegen elkaar aan te laten botsen, maar niet altijd frontaal. Soms passeren de kernen elkaar op een afstand, waarbij ze een directe botsing volledig missen. Omdat deze kernen vol zitten met protonen, dragen ze een enorme elektrische lading. Wanneer ze met bijna de snelheid van het licht langs elkaar heen vliegen, creëert deze lading een krachtige, vluchtige lichtflits bestaande uit fotonen. In de natuurkunde zijn dit niet alleen lichtflitsen, maar werkelijke deeltjes die met andere materie kunnen interageren. Wanneer twee van dergelijke deeltjes botsen, kunnen ze transformeren in nieuwe deeltjes, zoals paren muonen, die zwaardere neven van het elektron zijn. Dit proces, bekend als foton-fotonverstrooiing, is een goed begrepen fenomeen dat onderzoekers in staat stelt om de fundamentele krachten van de natuur te bestuderen zonder het rommelige puin van een directe botsing.
De intense elektromagnetische velden die in deze bijna-botsingen worden gegenereerd, zijn echter zo sterk dat ze meer kunnen doen dan alleen een enkel paar deeltjes creëren. Theoretische modellen suggereren al lang dat er in een enkel evenement meerdere interacties tegelijkertijd kunnen plaatsvinden. Stel je een enkele lichtflits voor die zo helder is dat het twee afzonderlijke reacties gelijktijdig kan triggeren. Hoewel wetenschappers deze zeldzame, multi-deeltjesgebeurtenissen eerder hebben waargenomen, hebben ze nog nooit een specifieke combinatie gemeten waarbij één interactie een paar muonen creëert, terwijl op exact hetzelfde moment en in dezelfde botsing een ander interactie een specif kind van een deeltje creëert dat een rho-meson wordt genoemd. Dit rho-meson is instabiel en valt snel uiteen in twee pionen. Begrijpen hoe vaak deze twee afzonderlijke gebeurtenissen samen voorkomen, en hoe hun frequentie verandert afhankelijk van hoe dicht de kernen elkaar passeerden, biedt een nieuw venster op het gedrag van licht en materie onder extreme omstandigheden.
Een onderzoeker die gebruikmaakt van de ATLAS-detector bij de Large Hadron Collider, heeft nu de eerste meting van deze gelijktijdige productie uitgevoerd. De onderzoeker analyseerde gegevens van botsingen van loodkernen bij twee verschillende energieniveaus, die gedurende meerdere jaren zijn vastgelegd. Om deze zeldzame gebeurtenissen te vinden, zochten de wetenschappers eerst naar de onmiskenbare handtekening van een muonpaar dat is ontstaan door de botsing van twee fotonen. Dit paar fungeerde als een "tag", die bevestigde dat er een foton-fotoninteractie had plaatsgevonden. Vervolgens onderzochten ze dezelfde botsing om te zien of er ook een rho-meson was geproduceerd, geïdentificeerd door de twee pionen die het achterliet. Cruciaal was dat zij vereisten dat er geen andere deeltjes aanwezig waren in het evenement, om te garanderen dat de twee processen samen plaatsvonden in een schone, geïsoleerde botsing, in plaats van het resultaat te zijn van twee afzonderlijke ongelukken die tegelijkertijd plaatsvonden.
De onderzoeker besteedde ook veel aandacht aan de "impactparameter", wat in essentie de afstand is tussen de middelpunten van de twee kernen terwijl ze elkaar passeerden. De onderzoeker kon deze afstand niet direct meten, maar kon deze afleiden door te kijken naar de neutronen die tijdens de botsing werden uitgezonden. Als de kernen ver van elkaar passeerden, bleven ze intact en werden er geen neutronen uitgezonden. Als ze dichterbij passeerden, was het elektromagnetische veld sterk genoeg om neutronen uit één of beide kernen te slaan. Door de gebeurtenissen te sorteren op basis van hoeveel neutronen werden gedetecteerd, kon het team de botsingen groeperen op basis van hoe dicht de kernen bij elkaar kwamen. Ze ontdekten dat de snelheid van deze gelijktijdige gebeurtenissen niet constant was; deze nam aanzienlijk toe naarmate de botsingen dichterbij kwamen. In de gebeurtenissen waarbij de kernen het dichtst bij elkaar passeerden, was de snelheid van het zien van zowel een muonpaar als een rho-meson samen ongeveer dertig keer hoger dan in de gebeurtenissen waarbij de kernen ver van elkaar passeerden.
Wanneer de onderzoeker alle gegevens combineerde, ongeacht de afstand tussen de kernen, stelde zij vast dat voor elke duizend exclusieve muonparen die worden geproduceerd, er ongeveer negen gevallen waren waarin ook een rho-meson in dezelfde botsing werd gecreëerd. Deze specifieke ratio, gemeten met hoge precisie, bevestigt dat deze multi-fotonprocessen een reëel en meetbaar kenmerk zijn van ultra-perifere botsingen. De studie onthulde ook dat de waarschijnlijkheid van dit dubbele evenement verandert afhankelijk van de energie en snelheid van de geproduceerde muonen, wat verdere aanwijzingen geeft over de geometrie van de interactie. Deze bevindingen valideren theoretische voorspellingen dat dergelijke complexe, simultane interacties frequent genoeg voorkomen om in detail bestudeerd te worden. Door precies in kaart te brengen hoe vaak deze gebeurtenissen plaatsvinden en onder welke omstandigheden, biedt het werk nieuwe, concrete gegevens over hoe foton-geïnduceerde processen afhangen van de afstand tussen de botsende kernen, wat ons begrip van de elektromagnetische krachten die de subatomaire wereld beheersen, verdiept.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.