Département de Physique des Particules

Des particules de lumière en collision

La collision élastique de photons réels est un phénomène très rare dans lequel deux photons réels interagissent, produisant une autre paire de photons réels. L'observation directe de ce processus à haute énergie s'est révélée difficile pendant des décennies, jusqu'à ce qu'il soit observé par les expériences ATLAS et CMS au Cern entre 2016 et 2019 [1]. Rappelons que ce phénomène est prédit par le modèle standard de la physique des particules, c’est un processus de nature quantique. Ceci étant, en électromagnétisme classique, si on ajoute aux équations de Maxwell un vecteur densité de courant proportionnel à une puissance du champ électrique présent dans le milieu, alors la collision de deux photons devient possible. Pour plus de précision, on peut s’appuyer sur l’exercice 5 d’un recueil d’exercices posés à l’oral de l’X. C’est donc un effet dont l’origine théorique réside dans le caractère non linéaire des équations qui décrivent ce phénomène dans le modèle standard. Ce phénomène est une conséquence naturelle de la mécanique quantique dans le modèle standard, mais peut aussi être vu comme une extension de la physique élémentaire dans le sens décrit plus haut.

Le résultat [1] ouvre un nouveau champ d’exploration à la frontière entre la physique des ions lourds et l’électrodynamique quantique. Aussi, le thème de recherche a prospéré avec plus de données accumulées et plus de personnels impliqués. Cet effort a conduit assez rapidement à une nouvelle mesure, qui est en cours de publication par l’expérience ATLAS [3]. Elle a été présentée pour la première fois à la conférence LHCP en mai 2020. Cette fois ci, l’idée nouvelle est d’utiliser les collisions de photons (induites lors des collisions d’ions lourds) pour rechercher une particule inconnue, qui se comporterait comme un champ scalaire (donc un peu comme le champ du boson de Higgs-Brout-Englert) et que l’on appelle communément axion. Cette idée avait été exposée d’une manière plus générale dans un article précédant celui de l’expérience ATLAS et qui a servi de référence pour l’étude [4]. L’idée, encore une fois, trouve son expression la plus complète dans le modèle standard, mais elle peut être également comprise en physique élémentaire, comme on peut le comprendre avec l’exercice 2 du recueil cité plus haut. Finalement, c’est encore une fois avec une approche presque intuitive que l’on peut pratiquement tout comprendre sur ce thème de recherche, identifier des idées les plus simples possibles et par conséquent proposer une nouvelle mesure.

Contexte expérimental des collisions photon-photon

Rappelons le contexte. Les collisions d'ions plomb (Pb) (avec une charge +82) au grand collisionneur de hadrons (LHC) au Cern fournissent l'environnement idéal pour étudier la diffusion photon-photon [1]. En effet, lorsque les ions Pb accélèrent pour atteindre une vitesse proche de celle de la lumière, un énorme flux de photons est généré par ces ions ultra-relativistes chargés positivement. On peut dire de manière équivalente que cela produit un champ électrique extrêmement intense d’environ 10²⁵ V/m dans l’environnement immédiat de chaque ion Pb. On comprend pourquoi avec de telles valeurs de champ, l’électromagnétisme standard n’est pas applicable et des effets non linéaires doivent être inclus. Dès lors, lorsque deux ions Pb issus des faisceaux se propageant dans des directions opposées passent côte à côte, en restant à une distance faible mais non nulle l’un de l’autre, de l’ordre de 10 femto-mètres (fm), des photons accompagnant les ions Pb peuvent interagir. C’est comme cela que la collision élastique photon-photon est possible en pratique.

De plus, parce que les ions Pb ne perdent qu'une infime fraction de leur énergie dans ce processus, les ions sortants continuent leur chemin autour de l'anneau du LHC. Cela conduit à une caractérisation claire des événements, avec deux photons observés dans le détecteur central d’ATLAS et aucune autre activité dans ce détecteur. En plus, les ions Pb sont observés presque intacts dans leurs lignes de faisceau à plusieurs dizaines de mètres du détecteur central. Si un événement est observé avec ces caractéristiques, on dit que c’est un événement candidat.

Les nouveaux résultats présentés récemment par la collaboration ATLAS portent sur l'ensemble des données du LHC Run-2 sur les collisions d'ions lourds (Pb-Pb) [3]. Sur plus de cent milliards de collisions pour lesquelles les ions Pb restent à une distance de l’ordre de 10 fm, 97 événements candidats ont été identifiés tandis que 27 événements sont attendus des processus de bruit de fond. On montre sur la figure ci-dessous cette observation convertie en mesure de section efficace du processus de collision élastique de deux photons. En particulier, la figure de gauche montre le résultat en fonction de la masse invariante des deux photons émis, exprimée en GeV/c2, donc en GeV avec les unités naturelles. C'est le meilleur résultat à l’heure actuelle.

Les hypothétiques axions sous contrainte

Comme nous l’avons mentionné plus haut, la mesure de la section efficace de la collision élastique photon-photon est sensible aux processus au-delà du modèle standard. Ainsi, la présence ou non d’une particule scalaire de type axion peut modifier la section efficace de l’interaction photon-photon standard [3, 4]. La nouvelle analyse de l’expérience ATLAS place des limites sur le taux de production de ces particules, les meilleures limites existantes à ce jour dans le domaine de mesure considéré. Pour faire mieux, il faudra reprendre des d’idées exposées dans [4] mais cela ne pourra pas être fait immédiatement.

Rappelons que les particules de type axion (simplement "axions" dans la suite) sont des particules hypothétiques sans spin (donc scalaires) avec un nombre quantique de parité impair et des interactions faibles avec les particules du modèle standard. En particulier, ces particules sont des bons candidats pour faire partie de la matière dite noire en astrophysique. Le nouveau résultat discuté ici repose sur l’idée que si les paires de photons en interaction produisent des axions, cela pourrait se produire via les réactions successives suivantes : photon-photon→ axion → photon-photon. C’est pourquoi il y aurait alors un excès d'événements pour une masse de la paire photon-photon observée égale à la masse de l’axion, ce que l’on appelle une résonance. Les résultats sont présentés sur la figure ci-dessous. Cette figure présente des zones d’exclusion pour l’intensité du couplage axion-photon-photon (1/Λ) en fonction de la masse de l’axion. Les couplages qui restent possibles après cette étude (dans les limites statistiques de ce genre d’analyse) ont une valeur située en-dessous les zones colorées.

Notons que seul un possible effet de résonance avec un grand facteur de qualité permet de mettre en évidence d’hypothétiques axions. C’était toute la difficulté de la tâche : on sait comment faire pour utiliser les faisceaux d’ions Pb comme des sources de lasers pulsées, mais il faut identifier dans le processus de collision de photons au sein de l’expérience ATLAS l’équivalent d’une cavité de grand facteur de qualité.  C’est ce que nous avons produit ici.

Un futur prospère pour les collisions de photons

En conclusion, on comprend que des phénomènes aussi ténus sont amenés à être examinés à nouveau avec des analyses plus fines ou de nouvelles idées. En particulier, dans [4] nous avons introduit de nombreuses idées qui restent encore à explorer. Par exemple, il y a un intérêt important à étudier des collisions avec des ions oxygène ou argon et même à considérer les collisions non symétriques d’un ion lourd avec un proton et de mener le même genre d’étude expérimentale que celle décrite ici. Il y a donc tout un programme qui reste en suspens pour le Run-3 du LHC.

[1] Fait marquant précédent

http://irfu.cea.fr/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast.php?t=fait_marquant&id_ast=4151

[2] Evidence for light-by-light scattering and searches for axion-like particles in ultraperipheral PbPb collisions at √S_NN = 5.02 TeV

https://arxiv.org/abs/1810.04602

[3] Measurement of light-by-light scattering and search for axion-like particles with 2.2/nb of Pb+Pb data with the ATLAS detector, ATLAS-CONF-2020-010

 https://atlas.web.cern.ch/Atlas/GROUPS/PHYSICS/CONFNOTES/ATLAS-CONF-2020-010/

[4] Extending the constraint for axion-like particles as resonances at the LHC and laser beam experiments, S. Hassani, L. Schoeffel et al., Phys. Lett. B 795 (2019) 339-345.

https://inspirehep.net/literature/1724460

Contact: Laurent Schoeffel