Опыт с двойным путем в фемтометровом масштабе

Эксперимент ALICE, который проводится на Большом адронном коллайдере (БАК), объявил об измерении зависимости азимутальной анизотропии при фоторождении ρ0-мезона от прицельного параметра столкновения. Этот процесс можно рассматривать как двухщелевой интерферометр, где расстоянию между щелями соответствует прицельный параметр.

В эти исследования внесли большой вклад сотрудники Лаборатории релятивисткой ядерной физики (ЛРЯФ) Отделения физики высоких энергий НИЦ «Курчатовский институт» — Петербургского Института Ядерной Физики им. Б.П. Константинова: они разработали и внедрили триггер для событий ультрапериферического взаимодействия сталкивающихся частиц, а также участвовали в анализе данных.

Двухщелевой эксперимент является одним из ярких примеров проявления эффектов, предсказываемых квантовой механикой. В классической постановке источник микрочастиц (например, фотонов или электронов) размещается перед пластинкой, в которой проделаны две щели. Форма распределения частиц на экране, расположенном за этой пластинкой, зависит от того регистрирует ли экспериментатор, через какую из щелей проходит частица.

Если да, то на экране возникает тривиальная двугорбая картина, которая соответствует двум отдельным частицам. Если нет, то даже для случая, когда частицы запускаются поочередно по ходу накопления статистики на экране наблюдается формирование минимумов и максимумов излучения — интерференционная картина.

Ричард Фейнман в своей книге «Характер физических законов» описал этот эксперимент так: «…эксперимент специально придуманный таким образом, чтобы охватить все загадки квантовой механики… Оказывается, любой другой случай в квантовой механике всегда можно объяснить, сказав: «Помните наш эксперимент с двумя отверстиями? Здесь — тоже самое»».

Недавно эксперимент ALICE направил в печать статью, в которой описывается первое измерение угловой анизотропии, возникающей при распаде ρ0-мезонов, когерентно рожденных в процессах ультрапериферического взаимодействия ядер свинца. Измеренная анизотропия зависит от прицельного параметра (b) — расстояния между ядрами.

При ультрапериферических взаимодействиях ядра свинца проходят на довольно большом расстоянии друг от друга. Одно из ядер испускает виртуальный фотон, который взаимодействует со вторым ядром, что приводит к появлению ρ0-мезонов, распадающихся на два электрически заряженных пиона (см. рисунок 1). В последние годы этот процесс активно изучался группой релятивистской ядерной физики НИЦ «Курчатовский институт» — ПИЯФ с целью исследования эффекта ядерных экранировок, т.е. подавления амплитуд фоторождения на ядрах по сравнению с суммой амплитуд фоторождения на отдельных нуклонах.

Оказывается, этот процесс можно также использовать для исследования интерференционных эффектов на фемтометровом масштабе. Тут важно, что в эксперименте невозможно определить, какое из двух ядер являлось источником фотона, и, соответственно, на каком произошло фоторождение ρ0.

В квантовой механике этим двум возможным ситуациям соответствуют две амплитуды, интерференция которых и приводит к появлению анизотропии – зависимости количества зарегистрированных ρ0-мезонов от угла разлёта дочерних пионов. При этом следует отметить, что время жизни ρ0-мезонов (τρ) чрезвычайно мало, и их распад происходит быстрее, чем два ядра могут обменяться какой-либо информацией (b ≫ cτρ). Соответственно, пионы из распада ρ0 описываются (квантово-)запутанной нелокальной волновой функцией.

Чтобы выделить события ультрапериферического рождения ρ0-мезонов во взаимодействиях ядер свинца в детекторе ALICE отбирались события, в которых присутствуют только два трека от заряженных частиц, и не было никакой дополнительной активности (см. рисунок 2).

Прицельный параметр определялся по количеству нейтронов, регистрируемых специальными детекторами, находящимися вблизи оси пучков с обеих сторон ALICE. Ситуация, когда нейтронов не зарегистрировано (категория событий 0n-0n), соответствует среднему прицельному параметру b ~ 49 фм. Если нейтрон регистрируется, с одной из сторон ALICE, что соответствует диссоциации лишь одного из двух сталкивающихся ядер (Xn-0n + 0n-Xn), то средний прицельный параметр составляет b ~ 23 фм.

Наконец, если нейтроны зарегистрированы с обеих сторон (Xn-Xn), то средние расстояние между взаимодействующими ядрами b ~ 18 фм. Измеряемым параметром является угол (ϕ) между двумя векторами, образованными суммой и разностью поперечных импульсов π+ и π– мезонов. Эта наблюдаемая зависит от угла разлёта пионов.

При переходе от событий класса 0n-0n к событиям класса Xn-Xn угловая анизотропия увеличивается больше чем на порядок (см. рис. 3). Следует отметить, что подобная анизотропия уже наблюдалась экспериментом STAR, который проводился на коллайдере RHIC, однако зависимость от прицельного параметра была измерена впервые.

Таким образом эксперимент ALICE осуществил двухщелевой эксперимент на фемтометровом масштабе. Если описывать полученный результат в терминах двухщелевого интерферометра, то роль расстояния между щелями играет прицельный параметр взаимодействия.

Подробнее с работой ALICE можно ознакомится из препринта статьи, описывающей исследование.