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.
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.