ALICE测量类似于双缝实验的干涉图案

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导读 在著名的双缝实验中,当一束光照射到两个狭缝时,会出现由暗带和亮带组成的干涉图样。电子和质子等粒子也出现了同样的效果,证明了量子力学...

在著名的双缝实验中,当一束光照射到两个狭缝时,会出现由暗带和亮带组成的干涉图样。电子和质子等粒子也出现了同样的效果,证明了量子力学中传播粒子的波动性。

通常,此类实验会产生纳米级的干涉图案。在最近发布到arXiv预印本服务器的一项研究中,ALICE合作小组利用大型强子对撞机(LHC)中铅核之间的超外围碰撞测量了飞米级的类似干涉图案。

在两个重核的超边缘碰撞中,原子核彼此靠近但不发生碰撞。此时,两个原子核之间的垂直距离(撞击参数)大于它们的半径之和,一个原子核发射出一个光子,该光子转变为由夸克及其反物质伙伴组成的虚拟对。

这一对粒子与另一个原子核发生强烈相互作用,导致一种被称为矢量介子的粒子发射,并导致两个胶子的交换(见上图)。这种矢量介子光生作用是探测碰撞原子核内部结构的成熟工具。

在涉及对称系统(例如两个铅核)的矢量介子光生中,无法确定哪个原子核发射光子,哪个原子核发射两个胶子。此外,由于虚夸克-反夸克对与原子核之间的强力作用距离较短,矢量介子是在两个相隔很远的原子核之一内或附近产生的。

由于这一点以及它们相对较短的寿命,矢量介子会很快衰变成其他粒子。这些衰变产物形成量子纠缠态,并产生类似于双缝干涉仪的干涉图样。

在电中性的rho矢量介子(ρ0)的光生中,干涉图样呈现为对ρ0产量的cos(2φ)调制,其中φ是ρ0衰变为两个带相反电荷的介子后,其横向动量之和与之差形成的两个矢量之间的夹角。随着撞击参数的减小,调制强度预计会增加。

ALICE团队使用LHC第二次运行期间发生的铅-铅碰撞产生的57,000个ρ0介子的数据集,测量了撞击参数不同值时ρ0产量的cos(2φ)调制。这些碰撞发生在能量为每对核子(质子和中子)5.02太电子伏的条件下。

测量结果表明,调制强度随撞击参数的变化而变化,撞击参数的值为飞米量级(见下图)。理论计算表明,这种行为确实是飞米级量子干涉效应的结果。

在LHC正在进行的第三次运行和下一次运行(第四次运行)中,ALICE预计将从铅-铅碰撞中收集超过1500万个ρ0介子。这一增强数据集将允许对干扰效应进行更详细的分析。

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