Naukowcy z AGH dokonali pierwszej obserwacji rozpraszania światła na świetle w eksperymencie ATLAS na LHC

Naukowcy z AGH w ramach badań prowadzonych w eksperymencie ATLAS na Wielkim Zderzaczu Hadronów w CERN w Genewie dokonali pierwszej obserwacji rozpraszania światła na świetle. Do tej pory tego zjawiska nie udało się nigdy zaobserwować bezpośrednio, zatem prowadzone badania mają pionierski charakter, a w niedalekiej przyszłości ich wyniki mogą otworzyć drzwi do tzw. nowej fizyki.

Pomiar rozproszenia światła na świetle, czy bardziej ogólnie fotonów na fotonach (gdyż termin światło ograniczony jest tylko do konkretnego zakresu długości fali), został wykonany przez międzynarodowy zespół, w skład którego wchodzą badacze z Wydziału Fizyki i Informatyki Stosowanej AGH (WFiIS AGH), naukowcy z Niemiec pracujący w ośrodku badawczym DESY w Hamburgu i Uniwersytetu Jana Gutenberga w Moguncji oraz fizycy z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk w Krakowie (IFJ PAN). Dużą rolę w przygotowaniach do eksperymentu odegrali również teoretycy, m.in. z IFJ PAN, którzy wyszli z pomysłem przeprowadzenia pomiaru na Wielkim Zderzaczu Hadronów (ang. Large Hadron Collider – LHC).

Aż 80 lat czekano na weryfikację eksperymentalną teorii

– To zjawisko jest niemożliwe, jeżeli weźmiemy pod uwagę klasyczne teorie w fizyce. Elektrodynamika klasyczna zabrania wystąpienia tego typu procesów. W klasycznej teorii dwa fotony ze sobą nie oddziałują – gdyby te fotony chętnie ze sobą oddziaływały, to nie moglibyśmy siebie w ogóle widzieć, np. patrząc w nocy na niebo, nie widzielibyśmy gwiazd. Dzięki temu, że je widzimy, mamy pośredni dowód na to, że zjawisko oddziaływania dwóch promieni świetlnych jeżeli zachodzi, to dzieje się to niezwykle rzadko. Dopiero w latach 30. XX wieku, kiedy zaczęła się rodzić teoria kwantowa, Werner Heisenberg i jego doktorant Hans Heinrich Euler zaproponowali w ramach teorii kwantowej, że dwa promienie światła, czy też dwa fotony, bo wtedy też wprowadzono pojęcie fotonu jako kwantu światła, mogą ze sobą oddziaływać. To znaczy, że w przypadku gdy się spotkają, mogą się rozproszyć, czyli zmienią kierunki swojego ruchu – tak jak dwie zderzające się kule bilardowe. Okazuje się, że zjawisko to jest niezwykle rzadkie, dlatego aż 80 lat czekano na weryfikację tej teorii. W tym czasie robiono próby pomiaru tego zjawiska m.in. wykorzystując pomiary pośrednie, ale do tej pory bezpośrednio nie zmierzono rozpraszania dwóch fotonów. Natomiast w czasie kiedy jako zespół przygotowywaliśmy się do zbierania danych w 2015 r., dwie grupy teoretyków pracujące niezależnie przeprowadziły obliczenia dla Wielkiego Zderzacza Hadronów i okazało się, że z ilością danych, które mogliśmy zebrać pod koniec roku 2015 będzie możliwa po raz pierwszy bezpośrednia obserwacja rozpraszania fotonów na fotonach – mówi dr hab. inż. Iwona Grabowska-Bołd z Katedry Oddziaływań i Detekcji Cząstek WFIiS AGH, która brała udział w pomiarach.

Jądra ołowiu źródłami fotonów

Idea zrodziła się przy okazji innego eksperymentu. Na LHC przez większą część roku zderza się ze sobą protony, jeden miesiąc natomiast zarezerwowany jest na zderzenia cięższych obiektów, jakimi są jądra ołowiu. Jądro ołowiu najprościej można zobrazować jako kulę składającą się z neutronów i protonów, a dzięki tym ostatnim – obdarzoną bardzo dużym ładunkiem elektrycznym. Fizycy badają, co dzieje się, kiedy te dwie kule zderzą się ze sobą, np. wśród produktów zderzenia poszukują słynnego bozonu Higgsa. Natomiast w przeprowadzonym eksperymencie z rozpraszaniem fotonów naukowcy szukali takiej sytuacji, kiedy te dwa jądra ołowiu nie zderzą się, tylko miną się bardzo blisko – na tyle blisko, że wyczują swoją obecność poprzez pole elektromagnetyczne.

– Teoretycy postulowali, że w takiej sytuacji jądra ołowiu staną się silnymi źródłami fotonów. Mijając się z prędkościami bliskimi prędkości światła, każde z nich będzie emitować fotony, które raz na jakiś czas spotkawszy się, ulegną rozproszeniu. Zaczynaliśmy zatem z taką koncepcją. Natomiast wyzwaniem było to, że te rozproszone fotony trzeba było zmierzyć. Postanowiliśmy użyć do tego celu detektora ATLAS. Chcieliśmy szukać prostej sygnatury dwóch fotonów, którym nie będzie towarzyszyć w detektorze żadna inna aktywność, a więc poza obserwowanymi fotonami cały detektor będzie „pusty”. Ponadto w naszych przygotowaniach do eksperymentu musieliśmy wziąć pod uwagę, że zjawisko jest niezmiernie rzadkie. To oznacza, że wśród miliardów przypadków zarejestrowanych przez eksperyment, tylko garstka będzie pochodzić z interesującego nas procesu. W tamtym czasie dysponowaliśmy przewidywaniami dwóch grup teoretycznych. Ku naszemu zdziwieniu okazało się, że dają znacząco różne wyniki. Jedno było bardziej, drugie mniej optymistyczne. Jeżeli zatem wszystko poszłoby dobrze, spodziewaliśmy się zobaczyć rzędu kilkunastu, kilkudziesięciu takich przypadków, gdzie będzie widać sygnał w detektorze od dwóch rozproszonych fotonów – kontynuuje dr hab. inż. Grabowska-Bołd.

Tryger, czyli poszukiwanie igły w stogu siana

Eksperyment trzeba było bardzo dobrze zaplanować. W przypadku badań prowadzonych przez grupę w 2015 r., kiedy to zderzano jądra ołowiu, w czasie przecinania się wiązek dochodziło do 200 tys. zderzeń na sekundę. Spośród tak ogromnej ilości zderzeń można wybrać do analizy ok. 700, zatem 996 przypadków na 1000 musiało zostać odrzuconych. Jak zatem wybrać najbardziej interesujące przypadki? Badacze wykorzystują do tego celu system zwany trygerem.

– Jako grupa z AGH jesteśmy bardzo mocno zaangażowani od wielu lat w przygotowanie i oprogramowanie trygera do zderzeń jąder ołowiu. Muszę także zaznaczyć, że idea tego pomiaru zrodziła się przez przypadek. W roku 2015 miałam przyjemność koordynować prace związane z przygotowaniem trygera do zderzeń z ołowiem. Na spotkanie grupy, gdzie omawialiśmy szczegóły ustawień trygera i jego implementacji, przyszedł badacz z zupełnie nowym pomysłem. W grupie planowano poszukiwanie i zapisywanie zderzeń z elektronami, mionami i innymi cząstkami naładowanymi, a on przyszedł przekonać nas, że musimy zrobić tryger na dwa fotony. Zrozumieliśmy, że warto. Gdyby nie przyszedł, przypadki z dwoma fotonami nie zostałyby zapisane do dalszej analizy – wyjaśnia badaczka z AGH.

Tryger w eksperymencie ATLAS to dwustopniowy system filtrowania danych, którego zadaniem jest wybranie i zapisanie do dalszej analizy wskazanej ilości zderzeń (np. eksperyment ATLAS w roku 2015 spośród 200 tys. zdarzeń wybierał 700). Jego pierwszy stopień, typowo sprzętowy – to elektronika, która na podstawie sygnału w detektorach stwierdza, że w danym rejonie zarejestrowano sygnał, który jest konsystentny z aktywnością cząstki powstałej w punkcie zderzenia jąder ołowiu. Wówczas dany przypadek może zostać przekazany na drugi poziom, który jest w stanie przetworzyć 100 tys. zderzeń na sekundę. Drugi poziom stanowi farma serwerów złożona z około 40 tys. rdzeni (porównywalna z najpotężniejszym polskim superkomputerem Prometeuszeum z Akademickiego Centrum Komputerowego CYFRONET AGH), gdzie wykonywane są algorytmy filtrujące. Te algorytmy na podstawie sygnałów informują np. o tym, że w danym rejonie detektora sygnały ułożyły się w linię prostą, która odpowiada śladowi pozostawionemu przez elektron posiadający daną energię. Bardzo ważną cechą cząstek, które zostały wyprodukowane w zderzeniach jest to, że kiedy przedłuży się ich trajektorie, to one wszystkie spotykają się w punkcie interakcji, w którym nastąpiło zderzenie dwóch jąder ołowiu. Tryger zatem rozpoznaje, czy cząstki pochodzą ze wspólnego punktu tzw. wierzchołka oddziaływania, czy też ich kierunki są przypadkowe. Nie da się zapisać wszystkich 200 tys. przypadków na sekundę, gdyż fizycznie nie dysponujemy tak dużą przestrzenią dyskową. Zapis każdego przypadku to określona ilość bajtów, które trzeba przechować na dysku w kilku kopiach, przetworzyć i przeanalizować, co jest bardzo kosztowne.

Wielkie wyzwanie: zaprojektować tryger

– Kiedy dwa jądra ołowiu zderzają się ze sobą, produkowana jest ogromna ilość cząstek, i to jest najczęstsza sygnatura, którą widzimy w detektorze, tzn. większość elementów detektora, mówiąc obrazowo, świeci się, co informuje nas o tym, że doszło do zderzenia. Natomiast nasze zadanie w eksperymencie z fotonami polegało na tym, że musieliśmy zaprojektować tryger, który w detektorze szuka tych dwóch fotonów, a poza nimi nie ma nic. I muszę powiedzieć, to było wielkie wyzwanie! Niemniej jednak mieliśmy sporo szczęścia, gdyż przed rozpoczęciem zbierania danych przyszedł do nas badacz z Uniwersytetu Jana Gutenberga w Moguncji, który poinformował nas, że konkurencyjny eksperyment CMS, przygotowuje się również do poszukiwań sygnatury rozpraszania fotonów na fotonach, gdyż po raz pierwszy pojawia się możliwość zrobienia takiego pomiaru w zderzeniach jąder ołowiu. Jako grupa pracująca w eksperymencie ATLAS rozpoczęliśmy przygotowania, co nie było łatwe, gdyż nie mieliśmy zbyt wiele doświadczenia z wyszukiwaniem przypadków z dwoma fotonami. Niemniej jednak byliśmy bardzo zmotywowani i udało się. Na przełomie listopada i grudnia 2015 r. zapisaliśmy setki milionów przypadków, wśród których planowaliśmy szukać tylko kilkunastu, kilkudziesięciu. Przypomnę, że zaczynaliśmy z dwoma przewidywaniami, jedno mówiło, że znajdziemy kilkadziesiąt przypadków z dwoma fotonami, drugie, że zarejestrujemy tylko kilka… Na tym etapie nie wiedzieliśmy, dlaczego te przewidywania się różnią. Co jednak ważne, nasz tryger zapisał przypadki. Po zakończeniu zbierania danych przed nami pojawiło się kolejne wyzwanie. Zapisaliśmy dużą ilość danych, ok. 700 interesujących przypadków na sekundę i okazało się, że mamy problem do rozwiązania, bowiem ilość tych danych była na tyle duża, że nie udało nam się ich zrekonstruować, tzn. przetłumaczyć sygnałów detektora na cząstki (np. w tym zderzeniu powstały elektrony, miony albo inne ciekawe cząstki, np. bozon Higgsa). Eksperci od rekonstrukcji powiedzieli nam, że jeżeli nic nie zrobimy, to rekonstrukcja potrwa 8 miesięcy, czyli dopiero po upływie tego czasu nasze dane będą gotowe do analizy. Nie mogliśmy tego zaakceptować, w związku z czym rozpoczęły się prace nad optymalizacją rekonstrukcji. Do nas natomiast uśmiechnęło się szczęście, bo interesujące przypadki z dwoma fotonami zapisaliśmy do dedykowanego strumienia, który był na tyle mały, że można go było zrekonstruować bardzo szybko. Dane były gotowe do analizy wcześnie. Wówczas zabrałam się za wstępną analizę, zauważając ciekawe przypadki, w tym ewentualnie te, które byłyby dowodem na to, że eksperyment widzi” rozproszenie fotonów. Tak więc zaczęła się ta analiza. Kiedy inni naukowcy zobaczyli, że w eksperymencie można coś ciekawego zaobserwować, przyłączyli się do nas. Tak zawiązała się niewielka grupa badaczy m.in. z DESY i Moguncji i zaczęliśmy te dane analizować wspólnie – wyjaśnia dr hab. inż. Iwona Grabowska-Bołd.

Detektor ATLAS jak katedra Notre-Dame

Pomiar został wykonany w ramach eksperymentu ATLAS, który jest jednym z czterech detektorów zbierających dane na LHC. Wraz z CMS jest eksperymentem tzw. ogólnego przeznaczenia, które zostały zaprojektowane po to, aby precyzyjnie badać cząstki elementarne i ich oddziaływania, które opisuje teoria zwana Modelem Standardowym. Ponadto celem programu fizycznego eksperymentu jest poszukiwanie sygnałów spoza Modelu Standardowego, które udzieliłyby odpowiedzi na pytania dotyczące asymetrii materii i antymaterii we Wszechświecie i wiele im podobnych. Detektor ATLAS ma 45 m długości, 25 m wysokości i waży 7000 ton. Wielkością przypomina połowę katedry Notre-Dame w Paryżu, a waży tyle co Wieża Eiffel’a. Jest detektorem, który ma miliony kanałów odczytu i miliony elementów, które służą do rejestracji cząstek.

Pomiar rozpraszania fotonów na fotonach

– Trzeba podkreślić, że ATLAS jest bardzo dobrym eksperymentem do pomiaru fotonów. Został zaprojektowany i zoptymalizowany do poszukiwań cząstki Higgsa. Bozon Higgsa ma taką cechę, że żyje bardzo krótko i rozpada się szybko po tym, jak powstanie m.in. http://m.inna dwa fotony. A dwa fotony to dokładnie ten sygnał, którego szukaliśmy w naszym eksperymencie. Trudność polegała na tym, że te nasze dwa rozproszone fotony miały znacznie niższe energie, trudniej je było zmierzyć, bowiem eksperyment był optymalizowany do szukania fotonów o dużej energii, pochodzących z rozpadu Higgsa. W związku z tym musieliśmy wykalibrować detektor do pomiarów o niższej energii. Rozpraszanie fotonów na fotonach jest jednym z przewidywań elektrodynamiki kwantowej. Tylko aż 80 lat trzeba było czekać, żeby od przewidywania teoretycznego takie zjawisko stało się obserwowalne w zderzeniach jąder ołowiu, które są silnymi źródłami fotonów. Dokładnie tak samo, jak w przypadku bozonu Higgsa, z tym że tu potrzeba było mniej czasu, bo zaobserwowano go w 2012 r., a przewidywania teoretyczne powstały już w latach 50. XX w. Nam ostatecznie udało się zaobserwować 13 przypadków, w których widzieliśmy dwa rozproszone fotony. Fizycy ogłaszają odkrycie, gdy mają wynik co najmniej „5 sigma” (5 odchyleń standardowych od możliwej fluktuacji tła), dla którego prawdopodobieństwo błędu wynosi tylko 1 do 3.5 milionów. Ze względu na dość ograniczoną liczbę przypadków, nasze odkrycie oszacowaliśmy na „4.4 sigma”. Wobec czego w przyszłości chcielibyśmy powtórzyć ten eksperyment, zobaczyć jeszcze więcej par rozproszonych fotonów, tak aby móc potwierdzić nasze odkrycie. Ze względu na harmonogram prac w CERN kolejne badania planowane są w listopadzie i grudniu 2018 r. Ponadto ten proces – rozpraszania fotonów na fotonach – z punktu widzenia teorii otwiera ciekawe możliwości, m.in. szukania sygnałów tzw. nowej fizyki – mówi badaczka z AGH.

W skład zespołu, który opracował pomiar, wchodzą pracownicy Wydziału Fizyki i Informatyki Stosowanej AGH: dr hab. inż. Iwona Grabowska-Bołd oraz dr inż. Marcin Guzik, a także dr inż. Mateusz Dyndał, absolwent AGH, pracujący obecnie w DESY i trzech badaczy z Uniwersytetu Jana Gutenberga w Moguncji.

Wynik został zaprezentowany na dwóch konferencjach: we wrześniu 2016 r. (jako wstępny wynik, jeszcze bez publikacji), natomiast na początku lutego 2017 r. na najważniejszej konferencji z dziedziny fizyki zderzeń ciężkich jonów „Quark Matter” w Chicago zaprezentowano ostateczny rezultat. Został on przyjęty z dużym entuzjazmem przez środowisko naukowe.

Więcej informacji w artykułach:

• Evidence for light-by-light scattering in heavy-ion collisions with the ATLAS detector at the LHC
• ATLAS spots light-by-light scattering

 

Weronika Szewczyk, Dział Informacji i Promocji