Физики впервые увидели процесс Брейта – Уилера

Диаграммы Фейнмана, описывающие процесс Брейта – Уилера (слева) и простую аннигиляцию электрона и позитрона (справа).

STAR Collaboration / Physical Review Letters, 2021

Физики впервые увидели рождение электрон-позитронной пары в столкновении двух реальных фотонов. Возможность рождения электрона и его античастицы из двух квантов света была предсказана Брейтом и Уилером еще в 1934 году, но теперь физикам впервые удалось с уверенностью пронаблюдать этот процесс в эксперименте. Ученые зарегистрировали 6085 таких событий в периферических столкновениях релятивистских ядер золота с помощью детектора STAR на коллайдере RHIC в Брукхейвенской национальной лаборатории. Помимо всего прочего, полученные данные потенциально позволят изучить эффект двойного лучепреломления в вакууме. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.

При встрече электрона с позитроном происходит их аннигиляция — вместо пары частица-античастица рождаются два кванта света. Процесс аннигиляции знаком, пожалуй, всем, кто когда-либо сталкивался с понятием антиматерии, но не все знают, что возможен и обратный процесс: столкновение двух фотонов может породить электрон-позитронную пару. Это явление называется процессом Брейта — Уилера, и впервые он был описан еще в 1934 году. Но уже тогда ученые поняли, что вероятность экспериментального наблюдения такого эффекта крайне мала, ведь контролируемое столкновение двух фотонов кажется практически нереализуемой задачей.

Тем не менее, Брейт и Уилер допустили возможность протекания такого процесса в столкновениях релятивистских ядер. Если заряженную частицу ускорить до околосветовых скоростей, то Лоренцево сокращение приведет к ее очень сильному сжатию вдоль направления ее движения. Это значит, что и заряд частицы будет сильно сконцентрирован вдоль одной оси, а значит такая сжатая заряженная частица будет источником сильного электромагнитного поля, направленного перпендикулярно оси ее движения. Как утверждали Вайцзеккер и Вильямс в том же 1934 году, такое поле можно представить в виде волны, распространяющейся практически перпендикулярно движению исходной частицы, причем состоящей из потока реальных фотонов. По мнению Брейта и Уилера это означало, что летящие навстречу друг другу две такие заряженные частицы можно использовать в качестве источников фотонов для изучения их столкновений.

У процесса Брейта — Уилера есть несколько характерных особенностей, которые делают его еще более интересным для наблюдения. Так, квантовая природа реальных фотонов не позволяет им иметь нулевую спиральность (а процесс Брейта — Уилера описывает столкновение именно реальных, а не виртуальных фотонов). Это приводит к тому, что в результате столкновения реальных фотонов подавляется рождение векторных мезонов, а направление импульса электрона и позитрона скоррелировано с направлением движения фотонов (то есть распределение импульсов рожденных частиц анизотропно по полярному углу). Кроме того, вероятность столкновения двух фотонов сильно зависит от направления их поляризации. В случае линейно поляризованных фотонов это приводит к тому, что вероятность рождения электрон-позитронной пары с суммарным поперечным импульсом под определенным азимутальным углом Δφ к импульсу одного электрона модулируется зависимостью cos(4Δφ). Все это означает, что по регистрируемым импульсам рожденных в процессе Брейта — Уилера электронов физики могут изучить фундаментальные особенности этого эффекта.

Физики из коллаборации STAR решили изучить этот эффект с помощью одноименного детектора на коллайдере RHIC в Брукхейвенской национальной лаборатории. Они воспользовались накопленным с массивом данных по столкновениям ядер золота при энергии в 200 гигаэлектронвольт на нуклон-нуклонную пару. Сначала ученым необходимо было отобрать ультрапериферические события, при которых ядра пролетают мимо друг друга без непосредственного столкновения нуклонами, но взаимодействуют за счет описанных выше кулоновских полей, ведь именно в этом случае наиболее вероятно столкновение двух рожденных фотонов. Затем из 23 миллионов таких ультрапериферических событий исследователям нужно было выбрать те, в которых родилась электрон-позитронная пара, причем именно в ходе процесса Брейта — Уилера. Отбор осложнялся тем, что тот же продукт реакции возможен при столкновении двух виртуальных фотонов, а также одного реального и одного виртуального фотона. Искомые события ученые отбирали по большой инвариантной массе электрон-позитронной пары, ее малому поперечному импульсу, а также специфическим требованиям к ионизационным потерям электронов в детекторе и их времени пролета.

Также физики проанализировали наличие процесса Брейта — Уилера в событиях, когда ядра частично перекрывались и взаимодействовали не только через электромагнитное поле, но и через сталкивающиеся нуклоны. Ученые выбрали события в диапазоне центральности от 60 до 80 процентов, когда между центрами ядер при их столкновении было от 11.5 до 13.5 фемтометров (при радиусе ядра примерно 7 фемтометров). В результате оказалось, что все отобранные события обладают характерными для процесса Брейта — Уилера зависимостями дифференциального сечения рождения электронов от их инвариантной массы, полярного угла и поперечного импульса, а последний сильно зависит от центральности столкновений. В частности, гладкое распределение инвариантной массы показало, что в выбранных событиях действительно не рождались векторные мезоны, а зависимость сечения от поперечного импульса ожидаемо имела пик на малом значении в 38,1 ± 0,9 мегаэлектронвольт.

Наконец, ученые впервые экспериментально измерили зависимость числа рожденных электрон-позитронных пар от их азимутального угла: как для ультрапериферических, так и для просто периферических событий физики увидели модуляцию распределения по закону cos(4Δφ). Амплитуда модуляции оказалась равной 16,8 ± 2,5 в ультрапериферических столкновениях и 27 ± 6 в периферических, а сама зависимость совпала с теоретическими предсказаниями, посчитанными для наблюдаемых событий с помощью квантовых моделей электродинамики в столкновениях релятивистских ядер.

Полученные результаты открывают возможности для изучения еще одного интересного эффекта: двулучепреломления в вакууме, предсказанного Гейзенбергом и Эйлером в 1936 году. Обычное явление двойного лучепреломления происходит в среде за счет ее анизотропности. Согласно предсказаниям Гейзенберга, аналогичная анизотропность может возникать и у вакуума за счет очень сильных магнитных полей. В таких условиях коэффициент преломления вакуума начинает зависеть от поляризации проходящих сквозь него фотонов, что фактически приводит к косвенному взаимодействию фотонов с магнитным полем среды. Существует лишь одно доказательство существования этого эффекта: в 2017 году увидели следы двулучепреломления в вакууме в поляризации света, пролетевшего мимо изолированной нейтронной звезды. Участники коллаборации STAR, в свою очередь, потенциально могут наблюдать этот эффект для рожденных в окрестности релятивистских ядер фотонов, которые сразу же рождаются в среде с очень сильным магнитным полем. Кроме того, наблюдаемые учеными эффекты чувствительны к поляризации рожденных фотонов, а значит полученные данные потенциально позволят увидеть этот эффект.

При столкновении двух фотонов необязательно должно что-то родиться. К примеру, мы рассказывали о том, как на Большом адронном коллайдере два фотона рассеялись друг на друге. А если в столкновении фотонов что-то рождается, то совсем не факт что это будут электроны: на том же БАК в столкновении фотонов уже рождались W-бозоны.

Никита Козырев


Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.