La diffusion lumière-lumière est un phénomène très rare dans lequel deux photons – des particules de lumière – interagissent, ce qui a pour effet de produire une nouvelle paire de photons. Ce processus figurait parmi les premières prédictions de l'électrodynamique quantique (QED), la théorie quantique de l'électromagnétisme, et il est exclu dans les théories de la physique classique (comme la théorie de Maxwell sur l'électrodynamique).
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). Les collisions d'ions plomb dans le LHC constituent un environnement exceptionnellement limpide pour l'étude de la diffusion lumière-lumière. L’accélération des paquets d'ions plomb jusqu'à une très haute énergie engendre un immense flux de photons autour des ions. Lorsque, au centre du détecteur d'ATLAS, deux ions plomb passent à proximité l'un de l'autre, mais à une distance au moins deux fois supérieure au rayon d'un ion plomb, ces photons peuvent interagir et rebondir l'un contre l'autre sans que ne se produise une autre interaction entre les ions plomb, étant donné que la portée de la force forte (dont l’effet est beaucoup plus important) est limitée à la longueur du rayon d'un proton. Ces interactions sont appelées « collisions ultra-périphériques ».
Hier, lors de la conférence Rencontres de Moriond (La Thuile, Italie), la collaboration ATLAS a annoncé l'observation de la diffusion lumière-lumière avec une signification statistique de 8,2 écarts-types. Ce résultat s'appuie sur des données recueillies lors de la dernière exploitation avec des ions lourds au LHC, qui s'est déroulée en novembre 2018. Cette nouvelle mesure ouvre la voie à de nouvelles études sur le processus de diffusion lumière-lumière, lequel est non seulement intéressant en soi, en tant que manifestation d'un phénomène de QED extrêmement rare, mais peut aussi être sensible à des contributions provenant de particules n’appartenant pas au Modèle standard. Elle ouvre des perspectives pour une nouvelle série de recherches axées sur d'hypothétiques particules légères et neutres.
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Pour en savoir plus, rendez-vous sur le site web de l'expérience ATLAS.