[论文解读] Tomography of Ultra-relativistic Nuclei with Polarized Photon-gluon Collisions

STAR Collaboration, M. S. Abdallah+393 more|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2022

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions被引用 4

一句话总结

本研究通过极化光子-胶子碰撞中的量子干涉实现对超相对论性原子核的胶子层析成像，利用 $ρ^0 \to \pi^+\pi^-$ 衰变中的自旋定向提取核半径。观测到的 $ρ^0$ 自旋定向（Au+Au 中为 $29.2\pm0.4\%$，U+U 中为 $23.8\pm0.6\%$）揭示了在 20 fm 范围内的相干干涉，得出 Au 的半径为 $6.53\pm0.06$ fm，U 的半径为 $7.29\pm0.08$ fm，均大于电荷半径，证实对胶子结构和非定域量子效应的敏感性。

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.

研究动机与目标

• 开发一种利用高能光子-胶子相互作用中量子干涉探测大原子核胶子结构的新方法。
• 通过 $ρ^0 \to \pi^+\pi^-$ 衰变中的自旋干涉测量超相对论性原子核中胶子的空间分布。
• 从独显光致产额的干涉图案中提取核半径，且独立于电荷半径测量。
• 检验量子波函数在远大于 $ρ^0$ 寿命的距离（约 1 fm）上的相干性，探测强相互作用中的非局域性。
• 建立一种类似于正电子发射断层扫描（PET）的新层析技术，但用于高能下胶子密度与核几何结构的探测。

提出的方法

• 利用超外围碰撞中超相对论性原子核的洛伦兹增强电磁场产生的线性极化光子。
• 通过 $α \cos 2\phi$ 调制测量 $ρ^0 \to \pi^+\pi^-$ 衰变产物的角分布，以探测 $ρ^0$ 自旋定向。
• 采用二维 $|t|$-分布分析，以分离光子横动量与双源干涉效应的影响。
• 将观测到的 $ρ^0$ 自旋定向用作探测来自弹丸核与靶核的两个不可区分振幅之间量子干涉的探针。
• 将数据与包含光子极化和干涉效应的理论模型进行比较，以提取核半径。
• 在 RHIC 的 Au+Au 和 U+U 碰撞中采用独显光致产额，其中原子核保持完整，并通过虚光子-胶子融合相互作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 $ρ^0$ 衰变角分布中的量子干涉是否能揭示超相对论性原子核中胶子的空间结构？
• RQ2 非局域性和波函数相干性在短寿命矢量介子衰变产物中的作用是什么？
• RQ3 测量到的 $ρ^0$ 自旋定向与 $ρ^0$ 产额截面如何约束超出电荷半径的核半径？
• RQ4 干涉效应在远大于 $ρ^0$ 寿命（约 1 fm）的尺度（约 20 fm）上能保持多大程度？
• RQ5 极化光子-胶子碰撞能否作为小 $x$ 条件下核几何结构与胶子分布的定量层析探针？

主要发现

• 在 Au+Au 中观测到的 $ρ^0$ 自旋定向为 $29.2\pm0.4\%$，在 U+U 中为 $23.8\pm0.6\%$，表明存在显著的量子干涉。
• $ρ^0$ 自旋定向表现出 $α \cos 2\phi$ 调制，与包含光子极化和双源干涉的理论模型一致。
• 从干涉图案中提取的核半径为 $6.53\pm0.06$ fm（$^{197}$Au），大于其电荷半径。
• $^{238}$U 的核半径为 $7.29\pm0.08$ fm，同样大于其电荷半径，表明对胶子结构具有敏感性。
• 在 p+Au 碰撞中未观测到干涉图案，证实其源于相同原子核的相干双源干涉。
• 模型 I（包含相位锁定干涉）与数据吻合良好，而模型 II（高 20%）表明至少 80% 的相干性，表明去相干程度极低。