Tán xạ photon-photon là quá trình điện động lực học lượng tử lần đầu tiên đã được xác nhận thực nghiệm đến độ chính xác cao. Nhóm hợp tác ATLAS tại CERN, bao gồm hàng trăm nhà vật lí đến từ khắp thế giới, vừa có bước đột phá trên sau khi phân tích một bộ cơ sở dữ liệu quy mô về các sự kiện tán xạ ứng viên, sử dụng một mạng lưới neural. Khám phá của họ có thể tiếp thêm nhiên liệu cho nghiên cứu mới về các lí thuyết đa dạng vượt ngoài Mô hình Chuẩn của vật lí hạt.
Trong điện động lực học cổ điển, các photon không thể tương tác với nhau vì chúng không có điện tích. Tuy nhiên, điện động lực học lượng tử dự đoán rằng hai photon có thể tán xạ lên nhau bằng cách trao đổi các hạt ảo tích điện fermion hoặc boson W. Một số mở rộng cho Mô hình Chuẩn dự đoán rằng các sự kiện tán xạ này nhạy với các hạt chưa được xác nhận, bao gồm axion và các đơn cực từ.
Để kiểm tra các lí thuyết này, các nhà vật lí tại Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC) ở CERN đã cố gắng gây ra tán xạ photon-photon bằng cách bắn các ion nặng vào nhau ở những tốc độ tương đối tính. Khi các ion tiến đến càng gần nhau, chúng trao đổi số photon ảo càng tăng dần. Nếu sự tán xạ xảy ra giữa hai photon bất kì trong số này, thì cặp ion sẽ mất một chút năng lượng và phát ra một cặp photon thật. Các lóe sáng này sẽ đi tới hai phía đối diện của detector, làm bộc lộ đặc trưng của sự kiện tán xạ ban đầu.
Các nhà nghiên cứu tại LHC đã phát hiện hai photon tán xạ lên nhau, tiếp nối bằng chứng ban đầu được công bố vào năm 2017. (Ảnh: ATLAS Collaboration/CERN)
Vào năm 2017, cả hai nhóm hợp tác ATLAS và CMS tại LHC, đã tìm kiếm bằng chứng của những cặp photon này trong các va chạm năng lượng cao giữa các ion chì mà họ ghi lại được trong năm 2015. Từ tổng số 13 sự kiện ứng viên, hai thí nghiệm báo cáo kết quả tán xạ photon-photon với độ chuẩn xác tương ứng là 4,4s và 4,1s - lệch xa khỏi ngưỡng chuẩn xác 5s cần thiết để xác thực một khám phá thực nghiệm.
Nay nhóm ATLAS lặp lại thí nghiệm trên, lần này sử dụng bộ cơ sở dữ liệu quy mô hơn nhiều gồm 59 sự kiện tán xạ ứng viên, thu thập từ một chuỗi va chạm ion chì kéo dài hơn, thực hiện trong năm 2018. Ngoài ra, họ còn phát triển một mạng neural để phân biệt hiệu quả hơn các cặp photon biểu lộ các sự kiện tán xạ này từ mọi photon phông nền mà detector thu được. Điều này cho phép đội nghiên cứu làm tăng độ chuẩn xác lên tới 8,2s, vượt quá ngưỡng được chấp nhận.
Một vài lí thuyết mới đây dự đoán rằng các phép đo tán xạ photon-photon có thể nhạy với các hiện tượng vượt quá Mô hình Chuẩn. Các lí thuyết này bao gồm các hạt chỉ chứa một cực từ, điều bị cấm bởi điện động lực học lượng tử, cũng như các axion, hạt được lí thuyết hóa để giải bài toán CP mạnh của sắc động lực học lượng tử. Do đó, các khám phá của nhóm ATLAS sẽ truyền cảm hứng cho các nghiên cứu trong tương lai hướng tới xác nhận và ràng buộc những lí thuyết này, có tiềm năng cho phép các cập nhật rộng rãi cho Mô hình Chuẩn.
Các kết quả được mô tả trên tạp chí Physical Review Letters
Nguồn: physicsworld.com
