Физики впервые увидели процесс Брейта – Уилера

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

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.

События, соответствующих процессу Брейта – Уилера (под красной линией).

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.

Зависимости дифференциального сечения рождения электрон-позитронной пары в зависимости от ее инвариантной массы (a), от полярного угла между моментом электрона и направлением фотона (b) и от поперечного момента пары (с).

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.

Зависимость числа зарегистрированных событий от азимутального угла между моментами электронной-позитронной пары и электрона.

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

Источник: nplus1.ru

0 0 голоса
Рейтинг статьи

Опубликовано: 03.08.2021 в 22:45

Автор:

Категории: Наука и технологии

Подписаться
Уведомить о
guest
0 комментариев
Межтекстовые Отзывы
Посмотреть все комментарии