物理学者は最初にブライトプロセスを見ました-ウィーラー

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Anonim
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ブライトウィーラー過程(左)と単純な電子-陽電子消滅(右)を説明するファインマン図。

物理学者は、2つの実際の光子の衝突で電子と陽電子のペアが作成されるのを最初に見ました。 2量子の光から電子とその反粒子が生まれる可能性は、1934年にブライトとウィーラーによって予測されましたが、今では物理学者が初めてこのプロセスを自信を持って実験で観察することができました。科学者たちは、ブルックヘブン国立研究所のRHIC衝突型加速器のSTAR検出器を使用して、相対論的金核の周辺衝突で6,085件のそのようなイベントを記録しました。とりわけ、得られたデータにより、真空中での複屈折の影響を研究できる可能性があります。研究結果はジャーナルPhysicalReviewLettersに掲載されています。

電子が陽電子に出会うと、それらは消滅します-粒子と反粒子のペアの代わりに、2つの光量子が生まれます。消滅プロセスは、反物質の概念に遭遇したことのある人なら誰でも知っているでしょうが、逆のプロセスも可能であることを誰もが知っているわけではありません。2つの光子の衝突が電子-陽電子対を引き起こす可能性があります。この現象はブライトウィーラープロセスと呼ばれ、1934年に最初に説明されました。しかし、それでも、2つの光子の制御された衝突はほとんど不可能な作業であるように思われるため、科学者はそのような効果の実験的観測の確率が非常に小さいことに気づきました。

それにもかかわらず、ブライトとウィーラーは、相対論的原子核の衝突でそのようなプロセスが発生する可能性を認めました。荷電粒子が光速に近い速度に加速されると、ローレンツの収縮により、その運動方向に沿って非常に強い圧縮が発生します。これは、粒子の電荷が1つの軸に沿って強く集中することを意味します。つまり、このような圧縮された荷電粒子は、その運動軸に垂直に向けられた強力な電磁場の発生源になります。 WeizsackerとWilliamsが同じ1934年に主張したように、そのような場は、元の粒子の運動にほぼ垂直に伝播し、実際の光子の流れからなる波として表すことができます。ブライトとウィーラーによると、これは、互いに向かって飛んでいる2つのそのような荷電粒子が、それらの衝突を研究するための光子の源として使用できることを意味しました。

Breit-Wheelerプロセスには、観察をさらに面白くするいくつかの特徴があります。したがって、実際の光子の量子的性質により、ヘリシティをゼロにすることはできません(Breit-Wheelerプロセスは、仮想ではなく実際の光子の衝突を記述します)。これは、実際の光子の衝突の結果として、ベクトル中間子の生成が抑制され、電子と陽電子の運動量の方向が光子の運動の方向と相関しているという事実につながります(つまり、生成された粒子の運動量の分布は、極角で異方性です)。さらに、2つの光子の衝突の確率は、それらの偏光の方向に強く依存します。直線偏光された光子の場合、これは、1つの電子の運動量に対して特定の方位角Δφで全横運動量を持つ電子-陽電子対の生成の確率が依存性cos(4Δφ)によって変調されるという事実につながります。 。これはすべて、物理学者がBreit-Wheelerプロセスで生成された電子の記録された運動量からこの効果の基本的な特徴を研究できることを意味します。

STARコラボレーションの物理学者は、ブルックヘブン国立研究所のRHIC衝突型加速器の名を冠した検出器を使用してこの効果を研究することを決定しました。彼らは、核子-核子対あたり200ギガ電子ボルトのエネルギーでの金原子核の衝突に関する蓄積されたデータを使用しました。最初に、科学者は、核子が直接衝突することなく原子核が互いに通過する超周辺イベントを選択する必要がありましたが、この場合、生成された2つの光子の衝突が最も可能性が高いため、上記のクーロン場のために相互作用します。そして、そのような超周辺の2300万件のイベントから、研究者は電子と陽電子のペアが生まれたイベントを選択する必要があり、それはブライトウィーラープロセスの最中だった。 2つの仮想光子、および1つの実光子と1つの仮想光子の衝突で同じ反応生成物が発生する可能性があるため、選択は複雑でした。科学者は、電子-陽電子対の大きな不変質量、その小さな横運動量、および検出器内の電子のイオン化損失とその飛行時間の特定の要件に基づいて、探しているイベントを選択しました。

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Breit-Wheelerプロセスに対応するイベント(赤い線の下)。

物理学者はまた、核が部分的に重なり、電磁場だけでなく核子の衝突によっても相互作用した場合のブライトウィーラープロセスの存在を分析しました。科学者は、衝突中の原子核の中心間に11.5から13.5フェムトメートル(原子核の半径は約7フェムトメートル)があったときに、中心性の範囲が60から80パーセントのイベントを選択しました。その結果、選択されたすべてのイベントは、電子の生成の微分断面積が、ブライトウィーラープロセスの特徴である不変質量、極角、および横運動量に依存し、後者は強く依存することが判明しました。衝突の中心性について。特に、不変質量の滑らかな分布は、選択されたイベントでベクトル中間子が実際に生成されなかったことを示し、断面の横運動量への依存性は、予想どおり、38.1±0.9メガ電子ボルトの小さな値でピークを示しました。 。

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不変質量(a)、電子のモーメントと光子の方向の間の極角(b)、およびの横モーメントに応じた電子-陽電子対生成の微分断面積の依存性ペア(c)。

最後に、科学者は初めて、生成された電子-ポジトロンペアの数の方位角への依存性を実験的に測定しました。超周辺イベントと単純な周辺イベントの両方について、物理学者はcos(4Δφ)の法則に従って分布の変調を見ました。変調振幅は、超周辺衝突で16.8±2.5、周辺衝突で27±6であることが判明し、依存性自体は、相対論的核の衝突における電気力学の量子モデルを使用して観測されたイベントに対して計算された理論的予測と一致しました。

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登録されたイベントの数の、電子-陽電子対のモーメントと電子の間の方位角への依存性。

得られた結果は、別の興味深い効果を研究する可能性を開きます。1936年にハイゼンベルクとオイラーによって予測された真空中の複屈折です。複屈折の通常の現象は、その異方性のために媒体で発生します。ハイゼンベルグの予測によれば、非常に強い磁場のために、同様の異方性が真空中で発生する可能性があります。このような条件下では、真空の屈折率は、真空を通過する光子の偏光に依存し始めます。これにより、実際には、光子と媒体の磁場との間接的な相互作用が発生します。この効果の存在を証明するものは1つだけです。2017年に、孤立した中性子星を通過する光の偏光において、真空中で複屈折の痕跡が見られました。次に、STARコラボレーションの参加者は、相対論的原子核の近くで生まれた光子に対してこの効果を観察できる可能性があります。これらの光子は、非常に強い磁場を持つ媒体ですぐに生まれます。さらに、科学者によって観察された効果は、生成された光子の偏光に敏感です。つまり、得られたデータによって、この効果を確認できる可能性があります。

2つの光子が衝突するとき、何かが生まれる必要はありません。たとえば、大型ハドロン衝突型加速器で2つの光子がどのように散乱するかについて話しました。そして、光子の衝突で何かが生まれたとしても、それが電子になるという事実はまったくありません。同じLHCで、光子の衝突で、Wボソンはすでに生まれています。

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