Згідно з так званою класичною теорією, два фотони, тобто частинки світла, не вступають у взаємодію одне з одним. Якби вони так робили, то ми би нічого не бачили, наприклад, дивлячись вночі на небо. Не могли би спостерігати за зірками. Аж тут несподіванка: польські науковці, що беруть участь у міжнародному експериментальному проекті «ATLAS» на Великому адронному колайдері у CERN під Женевою, вперше спостерігали за явищем розпорошення світла на світлі, тобто, просто кажучи, такої взаємодії фотонів. Як можна про це прочитати у повідомленні для преси, дане явище полягає в тому, що два фотони зі слабким зарядом, взаємодіють між собою і через це змінюють власну траєкторію, тобто напрямок свого руху.
До міжнародної групи, яка зробила таке відкриття, входять науковці з Гірничо-металургійної академії Інституту ядерної фізики Польської академії наук у Кракові, Лабораторії DESY у Гамбурзі та Університету Майнца імені Йоганна Ґутенберґа.
Нашим гостем є доктор Матеуш Диндал, що на даний момент працює в німецькій лабораторії DESY у Гамбурзі, який брав участь у аналізі даних, отриманих у рамках цього дослідження.
- Це явище, як ви заявили пресі, оголошуючи про результати дослідження, настільки рідкісне, що його неможливо спостерігати навіть якщо за допомогою двох потужних лазерів спровокувати зіткнення двох в’язок фотонів. Як, отже, вдалося перехитрити природу, аби щось таке побачити?
- Ця історія розпочалася близько 2013 року, коли група теоретиків припустила, що умови, схожі до тих, що мають місце при зіткненні двох пучків фотонів, можна створити на Великому адронному колайдері. Але щоб цього досягти, треба було б зіткнути один з одним два пучки важких ядер свинцю. Те, що вони важкі, тут, власне, не має великого значення. Важливо те, що заряд кожного з таких ядер у 82 рази більший, ніж заряд окремого протону. Тому, коли два такі ядра – іони свинцю – зустрінуться один з одним, вони мають швидкість близьку до швидкості світла і є дуже сильним джерелом таких фотонів, котрі що якийсь час можуть вступати у взаємодію один з одним і можуть розпорошуватися, за чим можна спостерігати у детекторі, яким, у нашому випадку є детектор ATLAS.
- Чи це потужне зіткнення таких двох тяжких об’єктів?
- Ні, вони розминаються, залишаються у первинному стані і продовжують свій шлях у трубі акселератора. Але, окрім того, що ми не спостерігаємо жодної додаткової активності, ми здійснюємо вимірювання фотонів, що при цьому виділяються.
- А скільки таких фотонів, їхніх зіткнень з’являється?
- Таких зіткнень, коли ми маємо фотони у кінцевому стані, ми виміряли тільки 13. Тож це дуже рідкісний процес.
- 13 – це небагато. Чи це справді науковий результат, чи, може, це лише випадок?
- Тут важливо, скільки тла, тобто таких випадків, котрі імітують два фотони у кінцевому стані, ми очікуємо в нашому аналізі. Ми дуже точно обрахували це тло і висновок такий, що лише менше трьох випадків є випадками тла. Якщо ми порівняємо це з тринадцятьма випадками, що ми спостерігаємо на основі експериментальних даних, то шанси, що ці тринадцять випадків є статистичною флуктуацією тла, складають 1 до 200 тисяч. Отже, дуже маловірогідно, що те, що ми бачимо, не є тим, чого ми очікуємо згідно із квантовою електродинамікою.
- Ми говоримо, що науковці спостерігали, але – на додаток – все це електроніка, все це відбувається у комп’ютері…
- Так, тут варто підкреслити, що ми не можемо зафіксувати жодного результату зіткнення у Великому адронному колайдері без системи фільтрування даних. І вагому роль у розробці цієї системи фільтрування даних саме заради цього аналізу відіграли науковці з Гірничо-металургійної академії у Кракові.
- Всі ці явища спостерігаються у рамках експериментальної програми ATLAS, що є однією з- чотирьох програм у Великому адронному колайдері. І просто надзвичайним є те, як настільки рідкісні явища, якісь малопомітні спалахи, можуть спостерігатися в такій громадині.
- Важливо, аби такі спалахи реконструювати вже як фінальні фізичні об’єкти і могти їх відрізняти один від одного. Каскади частинок, що їх залишають електрони і фотони, дуже подібні, отже їхня ідентифікація дуже важлива.
- І саме тому настільки важливим є оте сито – пристрій, покликаний сеґреґувати такі випадки і вихопити оті 13, про які ви розповідаєте. І це, напевно, непросто такий пристрій розробити?
- Це дуже-дуже важко. Особливо, якщо йдеться про 40 млн взаємодій на секунду, коли працює Великий адронний колайдер. А ми повинні редукувати це число до кількох сотень. Насправді, у аналізі, з тисячі випадків, котрі спостерігаємо в детекторі, ми відкидаємо 996. Лише чотири з цієї тисячі ми записуємо на твердих дисках, і лише пізніше вони підлягають ретельному аналізу.
- Ми можемо лише радіти, що таке явище є надзвичайно рідкісним, бо інакше б, як про це була мова на початку передачі, ми б один одного не бачили. Але хто взагалі й коли висунув таку дивну, як могло би здаватись, гіпотезу?
- Ідея цього явища народилася понад 80 років тому – в 30-х роках XX сторіччя. Велику роль у цьому відіграв Гайсенберґ і його тогочасний студент Ойлер. Вони просто на основі перших передбачень теорії електромагнетизму, яку сьогодні ми називаємо квантовою електродинамікою, припустили, що таке явище можливе. Натомість, вже тоді було відомо, що воно надзвичайно рідкісне.
- А чи коли-небудь це дивацьке явище розпорошування світла на світлі може бути для чогось використане?
- Цього, мабуть, ніхто на світі сьогодні не знає. Натомість, це явище може бути застосоване у пошуку частинок з так званої нової фізики. Нам відомо, що такого типу процеси дуже чутливі до будь-яких часточок, котрих навіть до сьогодні не вдалося зафіксувати. Натомість, на даний момент ми ще не маємо настільки великої статистики таких випадків, аби сказати на цю тему щось більше.
PR24/А.М.