[論文レビュー] The physics of Hanbury Brown--Twiss intensity interferometry: from stars to nuclear collisions

Gordon Baym|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 1998

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 4被引用数 147

ひとこと要約

本論文は、ハナベリー＝ブラウン＝トゥイスト（HBT）強度干渉計法の包括的な理論的概説を提供し、量子力学的および波の干渉の基礎的原則を説明するとともに、高エネルギー核反応における粒子源の時空幾何構造を解明する応用を示している。HBT相関—2粒子運動量相関関数を用いて測定される—は、源の大きさに関する情報を与えることが示され、主な結果として、運動量空間で約50 MeV/cのエネルギーで特徴的な低下が観測され、それに対応する源半径は約4 fmである。また、最終状態のクーロン相互作用および非混合発光の補正が、実験データの解釈において重要な要因であると特定している。

ABSTRACT

In the 1950's Hanbury Brown and Twiss showed that one could measure the angular sizes of astronomical radio sources and stars from correlations of signal intensities, rather than amplitudes, in independent detectors. Their subsequent correlation experiments demonstrating quantum bunching of photons in incoherent light beams were seminal in the development of quantum optics. Since that time the technique of "intensity interferometry" has become a valuable probe of high energy nuclear and particle collisions, providing information on the space-time geometry of the collision. The effect is one of the few measurements in elementary particle detection that depends on the wave mechanics of the produced particles. Here we discuss the basic physics of intensity interferometry, and its current applications in high energy nuclear physics, as well as recent applications in condensed matter and atomic physics.

研究の動機と目的

• ハナベリー＝ブラウン＝トゥイスト強度干渉計法の基本的物理的性質を、粒子放出源の量子力学的プローブとして説明すること。
• 2粒子運動量相関関数が、高エネルギー衝突における粒子生成の時空幾何構造にどのように情報を含んでいるかを明確にすること。
• 最終状態のクーロン相互作用、非混合発光、コherenecの効果といった、HBT解釈における主な不確実性を扱うこと。
• HBT技術の適用範囲を核物理学にとどめず、超低温原子および光学格子を含む原子系および凝縮系系に拡張すること。
• 実験的HBTデータの解釈のための理論的枠組みを提供し、源の大きさ、発光持続時間、および粒子の種別を含む要因を明らかにすること。

提案手法

• 本論文は、基本的なHBT効果を説明するため、古典的波モデルを用い、非干渉的波源に起因する遠く離れた検出器間の強度相関を示している。
• 2粒子相関関数 $ C(q) = \frac{\langle n_{\vec{p}_1} n_{\vec{p}_2} \rangle}{\langle n_{\vec{p}_1} \rangle \langle n_{\vec{p}_2} \rangle} $ を導出しており、ここで $ q $ は運動量差であり、質量中心系の運動量で平均化している。
• 同一粒子に対する量子力学的取り扱いにより、ボーズ＝アインシュタイン統計が、小さな $ q $ における相関の増強を示し、完全に混合な源では最大値が2に達することを示している。
• 最終状態のクーロン相互作用による補正を分析し、$ Z_{\text{eff}} \sim 150 $、$ r_a \sim 7 $ fm、$ p_a \sim 300 $ MeV/c の条件下で、抽出された源半径に約10%のシフトが生じることを導出している。
• 非混合発光およびコherenec長が相関関数に与える影響を検討し、現実の核反応においてピークが完全に混合な源の2から約1.5–1.6に抑制されることを示している。
• 原子物理学への応用として、レーザー冷却20Neビームにおける時間分解HBT測定を議論し、相関時間が約0.5 μsであることは、ビーム温度が約100 μKであることを示唆している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2粒子運動量相関を用いた強度干渉計法は、高エネルギー衝突における粒子放出源の時空的広がりをどのように明らかにするか？
• RQ2 核反応において、完全に混合な源を想定しても、HBT相関関数が2ではなく約1.5–1.6のピークを示すのはなぜか？
• RQ3 最終状態のクーロン相互作用は、HBT測定における抽出された源半径をどの程度歪めるか？
• RQ4 HBT干渉計法は、超低温原子系におけるボーズ＝アインシュタイン凝縮の始まりをどのように探査できるか？
• RQ5 非混合発光または有限なコherenec長が、HBT相関関数の解釈にどのような影響を与えるか？

主な発見

• 200 GeV/A S+Pb衝突におけるパイオンのHBT相関関数は、運動量空間で約50 MeV/cのエネルギーで低下を示し、それに対応する源サイズは約4 fmである。
• 450 GeVプロトンによるPb衝突の相関関数はより広がっており、発光持続時間が短いか、空間的広がりが小さいことを示唆しており、これはより小さな源サイズを示している。
• 10.8 GeV/A Au+Au衝突における $ \pi^+\pi^+ $、$ \pi^-\pi^- $、および $ K^+K^+ $ 組み合わせのHBT相関関数は、ピークが約1.5–1.6であることを示しており、完全な混合性の欠如または非理想発光を示している。
• 最終状態のクーロン相互作用により、抽出された源半径に約10%のシフトが生じ、E877（正の傾向）とNA44（負の傾向）で逆の符号の傾向が観測された。これは、より洗練されたモデルの必要性を強調している。
• 超低温20Neビームでは、HBT時間相関が0.5 μs未満の分離で上昇し、ビーム温度が約100 μKであることを示唆しており、これは熱的発光と整合的である。
• 散乱光を用いた光学格子におけるHBT測定により、原子の拡散を調べることができ、相関関数は不規則系におけるダイナミクスを反映している。