Des physiciens de l'expérience ATLAS, au CERN, ont observé le premier signe direct de la diffusion lumière-lumière à haute énergie, un processus très rare dans lequel deux photons (des particules de lumière) interagissent et changent de direction. Le résultat publié aujourd'hui dans la revue Nature Physics confirme l'une des plus anciennes prédictions de l'électrodynamique quantique.

« Ce résultat fera date : il s'agit du premier signe direct de l'interaction de la lumière avec elle-même à haute énergie, explique Dan Tovey, coordinateur pour la physique d'ATLAS. Ce phénomène est impossible dans les théories classiques de l'électromagnétisme ; le résultat obtenu constitue donc un test important de notre compréhension de l'électrodynamique quantique, la théorie quantique de l'électromagnétisme. »

Cela faisait plusieurs dizaines d'années que l'on cherchait un signe direct de la diffusion lumière-lumière à haute énergie, sans succès – avant que ne commence la seconde exploitation du Grand collisionneur de hadrons (LHC), en 2015. Quand les collisions d'ions plomb dans l'accélérateur ont atteint un taux sans précédent, la possibilité d'observer un indice de la diffusion lumière-lumière est devenue réelle. « Cette mesure intéresse particulièrement les spécialistes des ions lourds et de la physique des hautes énergies depuis plusieurs années, d'autant plus que les calculs réalisés par certains groupes avaient montré que nous pourrions obtenir un signal significatif en étudiant les collisions d'ions plomb de la deuxième exploitation », explique Peter Steinberg, responsable du groupe d'ATLAS sur la physique des ions lourds.

Les collisions d'ions lourds constituent un environnement exceptionnellement limpide pour l'étude de la diffusion lumière-lumière. L’accélération des paquets d'ions plomb engendre un immense flux de photons autour des ions ; lorsque les faisceaux se rencontrent, au centre du détecteur ATLAS, très peu d'ions entrent en collision, mais les photons qui les entourent peuvent interagir et « rebondir » les uns contre les autres. Ces interactions sont appelées « collisions ultra-périphériques ». 

En étudiant plus de 4 milliards d'événements enregistrés en 2015, la collaboration ATLAS a trouvé 13 candidats à la diffusion lumière-lumière. Le résultat observé présente une signification statistique de 4,4 écarts-types, un niveau qui permet à la collaboration ATLAS de rapporter le premier signe direct de ce phénomène à haute énergie.

« Pour détecter une trace de cette signature, qui est rare, il a fallu développer un nouveau " déclencheur " très sensible pour le détecteur ATLAS, poursuit Peter Steinberg. La signature observée – soit deux photons dans un détecteur par ailleurs vide – est pour ainsi dire le contraire de ce que l'on attend généralement avec des collisions d'ions plomb, à savoir des événements d’une extrême complexité. La performance du nouveau déclencheur dans la sélection de ces événements démontre la puissance et la souplesse du système ainsi que le savoir-faire et les compétences des groupes chargés de l'analyse et du déclencheur, qui l'ont conçu et développé. »

Les physiciens d'ATLAS vont continuer à étudier la diffusion lumière-lumière pendant la prochaine exploitation du LHC avec ions lourds, prévue pour 2018. Avec davantage de données, la précision du résultat sera encore meilleure, ce qui pourrait ouvrir de nouvelles perspectives pour les études sur la nouvelle physique. L'étude des collisions ultra-périphériques devrait par aillers jouer un rôle plus important dans le programme d'ions lourds du LHC, à mesure que le taux de collision augmentera encore, pendant la troisième exploitation et au-delà.