W ostatnim miesiącu opublikowano wyniki interesującego eksperymentu, podtrzymującego założenia modelu standardowego i elektrodynamiki kwantowej. Wskazują one, że fala elektromagnetyczna może ulec rozproszeniu przez… inną falę elektromagnetyczną.

O procesie roz­pra­sza­nia światła – czy jakiej­kol­wiek innej formy fali elek­tro­ma­gne­tycz­nej – zazwy­czaj myślimy w kate­go­riach inte­rak­cji fotonów z materią. Znajomy błękit bez­chmur­nego nieba, jest właśnie efektem oddzia­ły­wa­nia światła sło­necz­nego z atomami powie­trza. Foton uderza z impetem w elektron okrą­ża­jący jądro atomu, ten wchłania go, po czym wysyła w prze­strzeń nową porcję światła (co na sche­ma­tach może przy­po­mi­nać zwykłe odbi­ja­nie fotonów od cząstek – nie robi nam to w tym momencie większej różnicy)
Trudno o bardziej natu­ralne i powszechne zjawisko. W głowach nie­któ­rych uczonych pojawiło się jednak pytanie: czy promień światła nie mógłby ulec roz­pro­sze­niu również w kon­tak­cie z innym pro­mie­niem światła? Pierwsza nasu­wa­jąca się odpo­wiedź była nega­tywna. Cząstki prze­no­szące oddzia­ły­wa­nie elek­tro­ma­gne­tyczne, z zasady nie reagują same na siebie. Foton pozo­staje więc nośni­kiem elek­tro­ma­gne­ty­zmu, samemu nie posia­da­jąc ładunku elek­trycz­nego. To ciekawa cecha, gdyż np. gluony  czyli nośniki oddzia­ły­wa­nia silnego, spa­ja­ją­cego protony i neutrony – nie potrafią przejść obok siebie obo­jęt­nie, co prowadzi do two­rze­nia tzw. kul glu­ono­wych. Podob­nych struktur, zło­żo­nych wyłącz­nie z kor­pu­skuł światła nigdy nie zaob­ser­wo­wano, toteż pomysł roz­pro­sze­nia światła o światło miał prawo wydawać się nie­re­alny.

Tu na scenę wkracza mecha­nika kwantowa. Już w czasach Heisen­berga i Schrödin­gera, postrze­gano fotony jako iry­tu­jąco nie­sforne drobiny. Przede wszyst­kim, kwant światła posiada poten­cjał do prze­kształ­ce­nia w zupełnie inny byt; i odwrot­nie, cząstki materii potrafią ulec uni­ce­stwie­niu prze­le­wa­jąc sku­mu­lo­waną w sobie energię w porcję fotonów. Mam tu oczy­wi­ście na myśli procesy, nazywane przez fizyków kreacją par oraz ani­hi­la­cją. Choć nie zdajemy sobie z tego sprawy, ana­lo­giczne zjawiska zdarzają się bez przerwy wszędzie wokół nas, tyle tylko, że na bardzo małą skalę. Foton mknący przez prze­strzeń, posiada pewne praw­do­po­do­bień­stwo prze­isto­cze­nia się w parę elektron-pozyton (zawsze powstają dwie cząstki, ujemna i dodatnia, w imię zasady zacho­wa­nia ładunku), tylko po to aby w mgnieniu oka doszło do ani­hi­la­cji i powrotu do formy fali elek­tro­ma­gne­tycz­nej.

Przyj­mu­jąc takie zało­że­nie, teo­re­tycy wie­dzieli jakie będą jego kon­se­kwen­cje. Jeden foton może i nie ulegnie roz­pro­sze­niu wpadając na drugi, ale jeśli w którejś z wiązek dojdzie akurat do kreacji elek­tro­nowo-pozy­to­no­wej pętli, kwant światła zachowa się nie inaczej niż przy inte­rak­cji ze zwykłym atomem. Problem sta­no­wiła praktyka i eks­pe­ry­men­talne uchwy­ce­nie takiego pre­ce­densu. W końcu, rzecz się rozbija o nikłe praw­do­po­do­bień­stwo i prze­miany trwające ułamki sekund.

Wyzwanie podjęli kilka lat temu uczeni z Uni­wer­sy­tetu Guten­berga w Moguncji oraz kra­kow­skiego AGH. Zapewne więk­szość z nas, chcąc spraw­dzić moż­li­wość roz­pra­sza­nia światła na świetle, użyłoby po prostu dwóch laserów. Polsko-nie­miecki zespół nakre­ślił jednak ory­gi­nal­niej­szy, ale jak się okazało efek­tyw­niej­szy koncept, oparty o wyko­rzy­sta­nie poten­cjału Wiel­kiego Zder­za­cza Hadronów. Zazwy­czaj akce­le­ra­tory cząstek sto­so­wane są do roz­pę­dza­nia i roz­kwa­sza­nia protonów, po to aby zobaczyć co się z nich “wykluje”. Tym razem naukowcy użyli jonów ołowiu, a inte­re­so­wały ich nie tyle czołowe zde­rze­nia, co bliskie minięcia. Jony roz­ta­czają wokół siebie silne pole magne­tyczne, a więc de facto pozo­stają one otoczone przez ławice fotonów. Przy muśnię­ciach dwóch takich pocisków, musiało więc docho­dzić do wza­jem­nego prze­ni­ka­nia chmur fotonów, czemu towa­rzy­szyły epizody roz­pra­sza­nia. 

Eks­pe­ry­ment pro­wa­dzono w 2015 roku, ale analiza danych zebra­nych przez detektor ATLAS trwała przez następne kil­ka­na­ście miesięcy. Wśród miliar­dów zdarzeń, roz­po­znano trzy­na­ście przy­pad­ków roz­pro­sze­nia fotonu przez foton. Mało? Pewnie tak, ale sama teoria zakła­dała maleńkie praw­do­po­do­bień­stwo takich zajść. Posie­dli­śmy zatem całkiem solidny dowód, choć jed­no­cze­śnie, aby w pełni wyeli­mi­no­wać moż­li­wość omyłki przy tak niskiej sta­ty­styce, potrzebne będą powtórki doświad­cze­nia.

Literatura uzupełniająca:
M. Dyndał, Two-Photon Interactions in Proton–Proton Collisions with the ATLAS Experiment at the LHC, [online: https://cds.cern.ch/record/2059091/files/CERN-THESIS-2015–160.pdf];
R. Feynman, QED. Osobliwa teoria światła i materii, przeł. H. Białkowska, Warszawa 2001;
ATLAS spots light-by-light scattering, [online: http://cerncourier.com/cws/article/cern/66878];
Scientists find evidence for light-by-light scattering, long standing prediction of the Standard Model, [online: https://phys.org/news/2017–02-scientists-evidence-light-by-light-standard.html].
  • Bugi Bugi

    Dzięki. Czytałem o tym odkryciu na jednym portalu i dowie­dzia­łem się tylko tyle że światło roz­pra­sza światło i że Polacy. 😛 Dzien­ni­ka­rze nie lubią się wysilać.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • Ireneusz Papa

      Drobny błąd: Przede wszyst­kim, kwant światła posiada poten­cjał TO prze­kształ­ce­nia w zupełnie inny byt;

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Ireneusz Papa

    Drobny błąd: Przede wszyst­kim, kwant światła posiada poten­cjał TO prze­kształ­ce­nia w zupełnie inny byt;

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • Ireneusz Papa

      Hurra przy­da­łem się na coś;)

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • http://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk

        Korekta oby­wa­tel­ska zawsze się przydaje. 😉

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Vilenius Eleuther

    A to ja sobie tak myślę, że to może stąd ten obser­wo­wany niedobór anty-materii w obecnym Wszech­świe­cie. Cząstki i anty­cząstki zdążyły się od siebie oddalić, zanim doszło do ani­hi­la­cji. A inflacja zrobiła swoje i naj­bliż­sze skupiska materii znalazły się poza hory­zon­tem kosmo­lo­gicz­nym.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Dominik Kurek

    Czy jedno światło w tytule nie powinno być w cudzy­sło­wie?

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Mateusz Saj

    Czytając też pomy­śla­łem, można by rzec — typowo dla umiar­ko­wa­nych laików, o dwóch wyso­ko­ener­ge­tycz­nych (o ile moc ma zna­cze­nie) laserach wyce­lo­wa­nych w siebie. Stąd moje pytanie: w czym tkwi większa efek­tyw­ność mijania się jonów w stosunku do laserów umiesz­czo­nych w pokoju, którego wszyst­kie sześć ścian pokry­wają detek­tory?

    Być może lepszym pomysłem byłby pokój w kształ­cie kuli, by zmi­ni­ma­li­zo­wać ryzyko zgu­bie­nia fotonu w rogach :))

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0