Une étude, dont les résultats intitulés «Evidence for light-by-light scattering in heavy-ion collisions with the ATLAS detector at the LHC» sont publiés dans la revue Nature Physics, rapporte l'observation au CERN du premier signe direct de la diffusion lumière-lumière à haute énergie, un processus très rare dans lequel deux photons interagissent et changent de direction.

Cette observation «confirme l'une des plus anciennes prédictions de l'électrodynamique quantique». Comme «ce phénomène est impossible dans les théories classiques de l'électromagnétisme», le résultat de l'expérience constitue «un test important de notre compréhension de l'électrodynamique quantique, la théorie quantique de l'électromagnétisme».

Avant «que ne commence la seconde exploitation du Grand collisionneur de hadrons (LHC), en 2015», il y avait «plusieurs dizaines d'années» que l'on cherchait sans succès «un signe direct de la diffusion lumière-lumière à haute énergie». La possibilité «d'observer un indice de la diffusion lumière-lumière est devenue réelle», lorsque «les collisions d'ions plomb dans l'accélérateur ont atteint un taux sans précédent».

En fait, «les collisions d'ions lourds constituent un environnement exceptionnellement limpide pour l'étude de la diffusion lumière-lumière», car «l'accélération des paquets d'ions plomb engendre un immense flux de photons autour des ions»: en effet, «lorsque les faisceaux se rencontrent, au centre du détecteur ATLAS, très peu d'ions entrent en collision, mais les photons qui les entourent peuvent interagir et 'rebondir' les uns contre les autres», des interactions «appelées 'collisions ultra-périphériques'».

Un nouveau 'déclencheur' très sensible pour le détecteur ATLAS a dû être développé pour détecter une trace de la rare signature du phénomène en question: «la signature observée (soit deux photons dans un détecteur par ailleurs vide) est pour ainsi dire le contraire de ce que l'on attend généralement avec des collisions d'ions plomb, à savoir des événements d’une extrême complexité».

L'analyse de «plus de 4 milliards d'événements enregistrés en 2015 a permis à la collaboration ATLAS de trouver «13 candidats à la diffusion lumière-lumière». Comme «le résultat observé présente une signification statistique de 4,4 écarts-types», ce niveau est suffisant pour valider «le premier signe direct de ce phénomène à haute énergie».