Des particules invisibles dans la collision frontale de la lumière express
Dans une cuisine, deux faisceaux de lampes de poche se traversent sans se remarquer. La lumière n'interagit presque pas avec la lumière. Mais si l'on accélère des particules à des énergies énormes, deux photons peuvent entrer en collision et donner naissance à quelque chose de nouveau. C'est précisément ce processus — la diffusion de la lumière par la lumière — que les auteurs de l'article examinent pour le futur collisionneur FCC-hh, qui accélérera des protons et des noyaux à des énergies de 100 TeV.
Dans de telles collisions, une particule de type axion (ALP) peut surgir l'espace d'un instant — un parent hypothétique de l'axion, très faiblement lié à la matière ordinaire. Cette particule ne laisse aucune trace dans le détecteur, mais son apparition peut être repérée par un déficit d'énergie ou par des signaux caractéristiques. Les auteurs ont calculé combien de ces particules pourraient naître dans des collisions proton-proton, proton-noyau et noyau-noyau. Il s'avère que les contraintes les plus fortes sur la force d'interaction de l'ALP avec les photons seraient obtenues pour une masse d'environ 250 GeV dans les collisions de noyaux de plomb et d'environ 1 TeV dans les collisions protoniques.
La comparaison avec les données actuelles du Grand collisionneur de hadrons montre que le futur FCC-hh pourra sonder une région de paramètres inaccessible aujourd'hui. C'est comme passer de jumelles à un télescope avec un miroir de plusieurs dizaines de mètres — on voit plus loin et plus nettement. Les calculs reposent sur la naissance virtuelle de particules : elles n'existent qu'un instant, comme les rides sur l'eau après qu'on y a jeté une pierre, mais cet instant peut être capté par des signes indirects.
Ainsi, en faisant entrer en collision de la lumière avec de la lumière, nous espérons voir ce qui ne brille pas par lui-même.
Résumé original
tel que rédigé par les auteurs, en anglais arXiv:2603.22864
A virtual production of heavy axion-like particles (ALPs) via light-by-light scattering in pp, pPb and Pb collisions at the future 100 TeV collider FCC-hh is studied. Both differential and total cross sections are calculated. The 95\% C.L. exclusion limits, as well as $$3\sigma$$ and $$5\sigma$$ discovery limits on an ALP coupling constant versus ALP mass $$m_a$$ are given, using integrated luminosities of 30 ab$$^{-1}$$, 27 pb$$^{-1}$$ and 110 nb$$^{-1}$$. Our results are compared with the current LHC bounds. The strongest limit on the ALP coupling is obtained if $$m_a \simeq 250$$ GeV for the PbPb collisions, and if $$m_a \simeq 1$$ TeV for pp or pPb collisions. This suggests that the FCC-hh has a great physics potential of searching for the heavy ALPs.
La lumière traverse généralement la lumière sans la remarquer, mais à des énergies extrêmes, deux photons peuvent fusionner en une particule ayant une masse comparable à celle d'un noyau atomique.
Dans le roman « Le Problème à trois corps » de Liu Cixin, des extraterrestres utilisent des particules invisibles pour espionner — les axions, eux aussi, ne laissent presque aucune trace.