Квантовая интерференция сделала фотоядерную томографию точнее

Коллаборация STAR, базирующаяся на коллайдере RHIC, сообщила об экспериментах по исследованию ультрапериферических столкновений тяжелых ядер, сопровождающихся рождением пар пионов. Учет поляризации фотонов, которыми обмениваются ядра, позволил уловить эффекты квантовой интерференции в распределении импульсов промежуточных векторных мезонов. Новый эффект помог лучше понять распределение глюонов в ядрах, уточнить соответствующие ядерные радиусы, а также сравнить их с радиусами, полученными с помощью других методов и теории. Исследование опубликовано в Science Advance.

Просвечивание какого-либо объекта и регистрация рассеянного излучения позволяет сделать вывод о том, из чего он состоит. Со временем этот подход был улучшен в рамках техники оптической когерентной томографии благодаря интерференционным эффектам, которые чувствительны к неоднородностям на масштабе длины волны излучения. Еще более точным оказалось использование неклассических источников света для когерентной томографии.

Физики давно пытаются применять томографический подход к исследованию ядер. В этом случае источниками фотонов становятся сами ядра, разогнанные до ультрарелятивистских скоростей. Так получается из-за эффекта лоренцевского сокращения, которое усиливает электромагнитное поле вокруг ядра. Теоретики предсказывали, что это можно представить как поток реальных фотонов, двигающихся перпендикулярно вектору скорости ядра. Эксперименты по рождению лептонных пар в ультрапериферических столкновениях подтвердили эту картину.

Такой подход используется в качестве инструмента для изучения глюонного распределения внутри ядер как на Большом адронном коллайдере, так и на Релятивистском коллайдере тяжёлых ионов (RHIC), расположенном в Брукхейвенской национальной лаборатории. Несмотря на некоторые успехи, точность экспериментов ограничивается рядом неразрешенных вопросов, таких как неопределенности в источнике фотонов или трудности с разделением когерентных и некогерентных вкладов в сигнал. В частности, получаемые таким путем размеры ядер находятся в противоречии с зарядовыми распределениями, а также с теоретическими моделями.

Коллаборация STAR, работающая на RHIC, пришла к выводу, что ключом к разрешению этих трудностей стал учет поляризации фотонов. Новый анализ данных позволил обнаружить эффекты интерференции в сигналах, создаваемых продуктами ультрапериферического взаимодействия тяжелых ядер, которые повысили точность эксперимента.

Ультрапериферические столкновения ядер происходят тогда, когда прицельное расстояние между ними достаточно велико (несколько радиусов ядер), чтобы можно было игнорировать перекрытие их волновых функций и прямые взаимодействия между нуклонами, кварками и глюонами. С другой стороны, фотоны от одного ядра не взаимодействуют с глюонами из соседнего ядра напрямую. Вместо этого они ненадолго превращаются в виртуальную кварк-антикварковую пару, чья связь с соседними глюонами рождает векторный мезон, который, в свою очередь, распадается на пару π⁺- и π^--мезонов. Именно эти частицы и детектируют в эксперименте.

В случае, если бы ультрапериферическое взаимодействие происходило между ядром и протоном, распределение пионов было бы однородным. Но когда ядра одинаковы, процесс может протекать двумя альтернативными путями, которые различаются тем, какое из ядер стало источником фотона, а какое — глюонов. В результате, согласно фейнмановскому принципу сложения амплитуд вероятности, это должно привести к интерференции в распределении пионов, что и увидели физики из STAR.

Всего ученые проводили три класса столкновений: протонов с ядрами золота, ядер золота друг с другом и ядер урана друг с другом. В первых двух случаях энергия в системе центра масс, приходящаяся на пару нуклонов, была равна 200 гигаэлектронвольт, в последнем — 193 гигаэлектронвольта. Физики отсеивали те события, в которых их детекторы видели пару пионов в диапазоне инвариантной массы между 650 и 900 мегаэлектронвольтами, что соответствовало рождению векторного ρ⁰-мезона с массой 770 мегаэлектронвольт.

Измеряемой величиной был импульс векторного мезона, который авторы восстанавливали из свойств пионов. Эксперименты позволили восстановить распределение этого импульса в пространстве продольных и поперечных компонент относительно прицельного расстояния. Данные по ядро-ядерным столкновениям после очищения от фоновых факторов демонстрировали четкую зависимость распределения от угла, которой не было в протон-ядерных столкновениях.

При этом важно, что волновая функция векторного мезона простирается всего на один фемтометр, что существенно меньше, чем расстояние между ядрами (порядка 20 фемтометров). Это означает, что мезон рождается в суперпозиции близости к каждому из ядер, а интерферируют π⁺- и π^--мезоны. Физики получили качественное согласие своих результатов с двумя различными моделями исследуемого процесса. Глюонные радиусы ядер золота и урана составили 6,53 ± 0,06 и 7,29 ± 0,08 фемтометра, что систематически больше, чем соответствующие зарядовые радиусы.

Ранее мы рассказывали, как китайские физики исследовали рождение векторных мезонов при рассеянии фотонов на протонах. Массовый радиус, который они извлекли из этих экспериментов, также отличался от зарядового и магнитного радиуса протона.