Jak światło może rozproszyć światło?

W lutym 2017 roku 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].
W Auschwitz umarła też nauka Małe kosmologiczne FAQ 5 rzeczy, które powinieneś wiedzieć o komecie C/2019 Y4 (ATLAS)