Невидимые частицы в лобовом столкновении света экспресс
На кухне два луча фонариков проходят сквозь друг друга, не замечая один другого. Свет со светом почти не взаимодействует. Но если разогнать частицы до огромных энергий, два фотона могут столкнуться и родить нечто новое. Именно такой процесс — рассеяние света на свете — рассматривают авторы статьи для будущего коллайдера FCC-hh, который будет разгонять протоны и ядра до энергий 100 ТэВ.
В таких столкновениях может на мгновение возникнуть аксионоподобная частица (ALP) — гипотетический родственник аксиона, очень слабо связанный с обычным веществом. Эта частица не оставляет следа в детекторе, но её появление можно заметить по нехватке энергии или по характерным сигналам. Авторы рассчитали, сколько таких частиц могло бы родиться в протон-протонных, протон-ядерных и ядер-ядерных столкновениях. Оказалось, что самые сильные ограничения на силу взаимодействия ALP с фотонами получатся при массе около 250 ГэВ для столкновений ядер свинца и около 1 ТэВ для протонных столкновений.
Сравнение с текущими данными Большого адронного коллайдера показывает: будущий FCC-hh сможет заглянуть в область параметров, недоступную сегодня. Это как перейти от бинокля к телескопу с зеркалом в десятки метров — видно дальше и чётче. Расчёты основаны на виртуальном рождении частиц: они существуют лишь миг, как рябь на воде от брошенного камня, но этот миг можно зафиксировать по косвенным признакам.
Так, сталкивая свет со светом, мы надеемся увидеть то, что не светится само.
Оригинальная аннотация
как её написали авторы, на английском 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.
Свет обычно проходит сквозь свет, не замечая его, но при экстремальных энергиях два фотона могут слиться в частицу с массой, как у атомного ядра.
В романе «Задача трёх тел» Лю Цысиня инопланетяне используют невидимые частицы для слежки — аксионы тоже почти не оставляют следов.