一個高能光子撞擊鉛核的光子核碰撞事件顯示。由ATLAS測量的在磁場中彎曲的帶電粒子顯示為熱量計中的線和能量沉積(綠色和藍色塊)。在這個光核碰撞中，參與的鉛核向左移動，而光子向右移動。
歐洲核子研究中心ATLAS合作小組在大型強子對撞機(LHC)研究了光子(光粒子)與鉛核的相互作用。通過使用新的數據收集技術，物理學家們發現了與夸克膠子等離子體的實驗特征驚人的相似。
大型強子對撞機在運行時，每年大約有一個月的時間用來對撞鉛核。這種結構讓物理學家有機會研究夸克-膠子等離子體(QGP)，這是一種核正面碰撞時產生的高溫高密度物質相。這些極端條件模擬了宇宙大爆炸后的第一微秒。物理學家很好地理解了QGP:它演變成一種近乎完美的流體，忠實地保留了其形成時的幾何形狀，并在演化結束時在粒子的動量分布中形成一系列圖案。
但是當兩個相鄰的鉛核幾乎沒有相撞時會發生什么呢?鉛原子核，完全剝離了它周圍的電子，擁有一個很大的電荷，可以引起各種有趣的過程。每個原子核的強電磁場可以看成是一束能量大的光子通量。這些光子可以與來自另一個原子核的入射光子相互作用，導致光對光散射過程。此外，一個高能光子也可以直接撞擊另一個原子核，導致一種外來的“光核”碰撞。
圖1:在光子核碰撞中測量的方位各向異性v2(紅色)與在其他碰撞系統中測量的方位各向異性v2(灰色點)和理論預測(綠色)的比較。
在2018年大型強子對撞機的領先運行期間，ATLAS物理學家專注于光核事件的獨特特性，以收集大樣本進行研究。因為參與的鉛核具有比光子大幾十倍的動量，這些碰撞的產物被“推進”(移動)向鉛核的方向。上面的事件顯示了導致這種情況的粒子的不對稱分布。這種不對稱模式的特性使科學家能夠有效地篩選數十億次普通的對稱鉛-鉛碰撞，并找到罕見的光核事件。
在最近發表的一篇論文中，ATLAS的物理學家們驚訝地發現，一些最高能的光核碰撞顯示出了產生與鉛-鉛正面碰撞相同的高溫高密度QGP的證據!具體而言，粒子在橫平面上表現出方位動量各向異性(v2)。這種特征通常被解釋為QGP形成的證據，因為它產生于沿QGP一個軸的壓力梯度大于另一個軸的壓力梯度。圖1表明，光核事件中的v2值與質子-質子和質子-鉛碰撞中的v2值相當。這些數據提供了一個誘人的建議，夸克膠子等離子體可能形成，甚至在這些奇異的，小型碰撞系統。
大多數關于這些動量各向異性的理論模型都依賴于由夸克和膠子組成的碰撞體。天真地說，在一個碰撞粒子中有一個是簡單的、無結構的光子的系統中發現這樣的效應是令人驚訝的!然而，在足夠大的能量下，光子的波函數是許多態的疊加，包括一些強子(由夸克和膠子組成的粒子)。因此，這些測量提供的碰撞系統與傳統上用于研究夸克-膠子等離子體的系統具有非常不同的初始結構，并可作為實驗學家和理論家的測試。
