Физики впервые обнаружили взаимодействие фотонов друг с другом

Физикам церновской коллаборации ATLAS удалось впервые экспериментально обнаружить очень редкое явление — рассеяние фотонов друг другом. Это явление предсказано квантовой электродинамикой, а вот в рамках классического электромагнетизма его нет — здесь фотоны считаются невзаимодействующими.

Надо сказать, что классическая точка зрения имеет мощное эмпирическое обоснование. Свет от звезд, даже самых далеких, доходит до земных астрономов в неприкосновенности, хотя его путь лежит в пространстве, плотно населенном самыми разными видами излучения, начиная от реликтового. Тем не менее, даже через миллиарды световых лет не замечается признаков того, что по дороге к телескопу фотоны изменили направление из-за взаимодействия с каким-то другим электромагнитным излучением.

С точки зрения квантовой электродинамики, все дело в энергии. Напомним, что фотон имеет энергию, величина которой прямо пропорциональна частоте или обратно пропорциональна длине волны, т. е. фотон фиолетового света (длина волны 0.38 мкм) имеет большую энергию, чем фотон красного света (0.77 мкм), а рентгеновский фотон заткнет за пояс их обоих. Для того, чтобы вероятность взаимодействия двух фотонов была достаточно велика, велика должна быть и их энергия. Точнее, даже очень велика: на порядки больше рентгеновской.

Детектор частиц коллаборации ATLAS. / © omicron.aeon.co

Команда ученых ЦЕРНа получила фотоны достаточно высокой энергии в Большом адронном коллайдере, сталкивая между собой разогнанные до субсветовой скорости ионы свинца. Они и сами по себе тяжелые, а с учетом скорости энергии выходили очень большими – порядка тераэлектронвольт. В случае столкновения с другим ионом, из пучка, направленного навстречу, большую часть этой энергии требовалось куда-то деть, т. е. испустить высокоэнергетичный фотон.

Было зарегистрировано и впоследствии изучено более четырех миллиардов событий. Из них тринадцать кажутся подходящими — аппаратура зафиксировала, что после соприкосновения двух фотонов их траектории изменились. Мы не будем сейчас останавливаться на описании технических подробностей, ознакомиться с ними можно в статье ученых, опубликованной в Nature.