ATLAS实验测量光在光上的散射并限制轴突状颗粒

逐光散射是一种罕见的现象，其中两个光子(光粒子)相互作用，产生另一对光子。在高能量下直接观察该过程已被证明数十年，直到2016年由ATLAS实验首次发现并于2019年建立。在一项新的测量中，ATLAS物理学家正在使用逐光散射来寻找炒作。超出粒子物理标准模型的现象：轴突状粒子。

大型强子对撞机(LHC)中重铅离子的碰撞为研究逐光散射提供了理想的环境。随着铅离子束的加速，对应于强度高达每米1025伏特的电场，将产生巨大的周围光子通量。当来自相反光束的离子在ATLAS探测器的中心彼此相邻通过时，它们周围的光子会相互作用并相互散射。因为在此过程中，铅离子仅损失其能量的一小部分，所以流出的离子继续沿LHC环运动，而ATLAS探测器看不到。这些相互作用称为超外围碰撞。这导致了独特的事件签名，这与典型的铅离子碰撞非常不同事件，两个背靠背的光子，检测器中没有进一步的活动。

根据2015年记录的铅-铅碰撞数据，ATLAS协作发现了高能逐光散射的第一个直接证据。最近，ATLAS协作组织报告了使用2018年采集的大量数据样本观察到的逐光散射的显着性为8.2标准偏差。

ATLAS协作研究了重离子碰撞的完整LHC Run-2数据集，以提高精度和更多细节来测量逐光散射。在探测到的超过一千亿个超外围碰撞中，ATLAS观察到总共97个候选事件，而来自后台进程的事件预计为27个。除了生产率(横截面)，ATLAS还测量了产生的光子的能量和角度分布(即它们的运动学)。结果探索了更广泛的双光子质量范围，与之前的ATLAS测量相比，预期的信号产率提高了约50%。

逐光散射的测量对标准模型以外的过程(例如轴突状颗粒)敏感。这些是假设的无自旋(标量)粒子，具有奇数奇偶校验量子数(例如，希格斯玻色子是具有偶数奇偶校验的标量)，并且通常与标准模型粒子的相互作用较弱。在新的ATLAS结果中，物理学家考虑了成对的相互作用光子在相互散射时(γγ→a→γγ)是否产生轴突状颗粒(a)，这将导致双光子质量等于的质量他们检查了质量范围在6和100 GeV之间的双光子质量分布。在分析中未发现超出预期背景的事件过多。ATLAS物理学家能够得出95%置信水平，即与光子耦合的轴突状颗粒的排斥边界(图2)。假设100%的假定粒子衰变为光子，则此新分析对迄今为止在所检查的质量范围内的轴突状粒子的产生设置了最强的现有限制。

随着未来大型强子对撞机运行预计会有更大的数据集，物理学家将继续探索逐光散射对标准模型以外现象的敏感性。

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