[논문 리뷰] Tomography of Ultra-relativistic Nuclei with Polarized Photon-gluon Collisions

STAR Collaboration, M. S. Abdallah외 393명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 04.

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 고에너지 극성 광자-글루온 충돌에서의 양자 간섭을 이용해 초상대론적 핵의 글루온 톰그래피를 수행하며, $ρ^0 \to \pi^+\pi^-$ 붕괴에서의 스핀 정렬을 통해 핵 반경을 추출한다. 관측된 $ρ^0$ 스핀 정렬($29.2\pm0.4\%$ in Au+Au, $23.8\pm0.6\%$ in U+U)은 20 fm에 걸쳐 일관된 간섭을 보이며, 이로부터 $6.53\pm0.06$ fm (Au) 및 $7.29\pm0.08$ fm (U)의 반경을 도출한다. 이는 전하 반경보다 크며, 글루온 구조와 비국소 양자 효과에 대한 민감도를 확인한다.

ABSTRACT

A linearly polarized photon can be quantized from the Lorentz-boosted electromagnetic field of a nucleus traveling at ultra-relativistic speed. When two relativistic heavy nuclei pass one another at a distance of a few nuclear radii, the photon from one nucleus may interact through a virtual quark-antiquark pair with gluons from the other nucleus forming a short-lived vector meson (e.g. ${ρ^0}$). In this experiment, the polarization was utilized in diffractive photoproduction to observe a unique spin interference pattern in the angular distribution of ${ρ^0 ightarrowπ^+π^-}$ decays. The observed interference is a result of an overlap of two wave functions at a distance an order of magnitude larger than the ${ρ^0}$ travel distance within its lifetime. The strong-interaction nuclear radii were extracted from these diffractive interactions, and found to be $6.53\pm 0.06$ fm ($^{197} { m Au }$) and $7.29\pm 0.08$ fm ($^{238} { m U}$), larger than the nuclear charge radii. The observable is demonstrated to be sensitive to the nuclear geometry and quantum interference of non-identical particles.

연구 동기 및 목표

• 고에너지 광자-글루온 상호작용에서의 양자 간섭을 이용해 대규모 핵의 글루온 구조를 탐색하는 새로운 방법을 개발하기 위해.
• 초상대론적 핵 내 글루온의 공간 분포를 $ρ^0 \to \pi^+\pi^-$ 붕괴에서의 스핀 간섭을 통해 측정하기 위해.
• 전하 반경 측정과 독립적으로 배타적 광자 생성에서의 간섭 무늬로부터 핵 반경을 추출하기 위해.
• 짧은 수명을 가진 벡터 메손의 붕괴 생성물의 파동함수에서 비국소성과 간섭성의 역할을 테스트하기 위해.
• 고에너지에서 핵 구조와 글루온 밀도를 탐사하는 PET와 유사한 새로운 톰그래픽 기법을 수립하기 위해.

제안 방법

• 초경량 핵의 초상대론적 레이저-보정 전자기장에서 유래한 선형 극성 광자를 이용한다.
• $ρ^0 \to \pi^+\pi^-$ 붕괴 생성물의 각도 분포를 측정하여 $α \cos 2\phi$ 조절을 통해 $ρ^0$ 스핀 정렬을 탐지한다.
• 두 차원의 $|t|$-분포 분석을 적용하여 광자 횡방향 운동량과 이중원천 간섭 효과를 분리한다.
• 실험적으로 관측된 $ρ^0$ 스핀 정렬을 사라지지 않는 두 개의 동일한 앰플리튜드가 입사핵과 목표핵으로부터 유래한 양자 간섭의 탐사 도구로 사용한다.
• 광자 극성과 간섭을 포함한 이론 모델과 데이터를 비교하여 핵 반경을 추출한다.
• 핵이 그대로 유지되며 가상 광자-글루온 융합을 통해 상호작용하는 RHIC에서의 Au+Au 및 U+U 충돌에서의 배타적 광자 생성을 이용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고에너지 광자-글루온 상호작용에서의 양자 간섭을 이용해 초상대론적 핵 내 글루온의 공간적 구조를 $ρ^0$ 붕괴 각도 분포에서 탐지할 수 있는가?
• RQ2 짧은 수명을 가진 벡터 메손에서 붕괴 생성물의 파동함수에서 비국소성과 간섭성이 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 측정된 $ρ^0$ 스핀 정렬과 $ρ^0$ 생성 단면적은 전하 반경을 초월해 핵 반경을 어떻게 제약하는가?
• RQ4 $ρ^0$ 수명(~1 fm)보다 훨씬 큰 거리(~20 fm)에서 간섭 효과가 얼마나 유지되는가?
• RQ5 극성 광자-글루온 충돌이 소형 $x$ 영역에서 핵 기하학과 글루온 분포를 정량적으로 탐사하는 데 유용한 톰그래픽 도구가 될 수 있는가?

주요 결과

• 관측된 $ρ^0$ 스핀 정렬은 Au+Au에서 $29.2\pm0.4\%$, U+U에서 $23.8\pm0.6\%$이며, 상당한 양자 간섭을 나타낸다.
• $ρ^0$ 스핀 정렬은 이론 모델에 광자 극성과 이중원천 간섭을 포함한 $α \cos 2\phi$ 조절과 일치한다.
• 간섭 무늬에서 추출된 핵 반경은 $^{197}$Au에 대해 $6.53\pm0.06$ fm이며, 전하 반경보다 크다.
• $^{238}$U의 핵 반경은 $7.29\pm0.08$ fm이며, 역시 전하 반경보다 크며 글루온 구조에 민감함을 시사한다.
• p+Au 충돌에서는 간섭 무늬가 관측되지 않아, 동일한 핵에서 유래한 일관된 이중원천 간섭의 기원을 확인한다.
• 위상이 고정된 간섭을 포함한 모델 I는 데이터와 잘 맞으며, 모델 II(20% 높은 값)는 최소 80%의 간섭성 유지가 있음을 시사해 최소한의 분해조절이 일어나지 않았음을 나타낸다.