Po beveik 90 metų fizikai išvydo tai, apie ką tik įtarė: kaip jiems tai pavyko ir kas gi yra tokį susidomėjimą keliantis Breito - Wheelerio procesas? Gauti rezultatai atveria galimybę ištirti dar vieną įdomų efektą

Fizikai pirmą kartą išvydo elektrono ir pozitrono poros atsiradimą iš dviejų realių fotonų susidūrimo.

Elektrono ir jo antidalelės atsiradimo iš dviejų fotonų galimybę G. Breitas ir J. A. Wheeleris numatė dar 1934 metais, tačiau dabar fizikams pirmą kartą pavyko patikimai stebėti šį procesą eksperimente.

Mokslininkai užfiksavo 6085 tokius įvykius periferiniuose reliatyvistinių aukso branduolių susidūrimuose Brookhaveno nacionalinės laboratorijos RHIC greitintuvo STAR detektoriumi. Be viso kito, iš gautų duomenų potencialiai bus galima ištirti dvigubo šviesos lūžimo vakuume efektą. Tyrimo rezultatai publikuoti Physical Review Letters žurnale.

Šis reiškinys vadinamas Breito-Wheelerio procesu, ir pirmą kartą jis buvo aprašytas dar 1934 metais. Tačiau jau tada mokslininkai suprato, kad tokio reiškinio eskperimentinio stebėjimo tikimybė – itin maža, juk kontroliuojamas dviejų fotonų sudaužimas atrodo praktiškai neįveikiama užduotimi.

Kaip bebūtų, Breitas ir Wheeleris numatė galimybę šį procesą atlikti, sudaužiant reliatyvistinius atomų branduolius. Elektrinį krūvį turinčią dalelę įgreitinus iki beveik šviesos greičio, dėl Lorenco sutrumpėjimo ji labai stipriai susispaus judėjimo kryptimi. Tai reiškia, kad ir dalelės krūvis bus smarkiai koncentruotas išilgai vienos ašies, tad tokia suspausta įelektrinta dalelė statmenai savo judėjimo krypčiai kurs stiprų elektromagnetinį lauką.

Kaip tais pačiais 1934-aisiais tvirtino Carl Friedrich von Weizsäcker ir E. J. Williams, tokį lauką galima įsivaizduoti kaip statmenai pradinės dalelės judėjimo krypties plintančią realių fotonų bangą. Breito ir Wheelerio nuomone, tai reiškia, kad priešpriešais skriejančias dvi tokios įelektrintas daleles galima panaudoti kaip fotonų šaltinį jų susidūrimams tirti.

Breito — Wheelerio procesas turi kelias, dar didesnį mokslininkų susidomėjimą keliančias, ypatybes. Tarkime, dėl kvantinės realių fotonų prigimties, jie negali turėti nulinio spirališkumo (o Breito — Wheelerio procesas aprašo būtent realių, o ne virtualių fotonų susidūrimus). Dėl to, susiduriant realiems fotonams, slopinamas vektorinių mezonų susidarymas, o elektrono ir pozitrono impulso kryptis koreliuoja su fotonų judėjimo kryptimi (tai yra, susidariusių dalelių impulsų pasiskirstymas yra anizotropiškas polinio kampo atžvilgiu).

Be to, dviejų fotonų susidūrimo tikimybė stipriai priklauso nuo jų poliarizacijos krypties. Jei fotonai linijiškai poliarizuoti, tuomet elektrono ir pozitrono poros, kurios suminis skersinis impulsas tam tikro azimuto kampu \(Δφ\) vieno elektrono impulso atžvilgiu atsiradimo tikimybė moduliuojama priklausomybe \(cos(4Δφ)\). Visa tai reiškia, kad registruodami Breito – Wheelerio proceso metu susidarančių elektronų impulsus, fizikai gali ištyrinėti fundamentalias šio efekto ypatybes.

STAR sandarbio fizikai nusprendė ištirti šį efektą taip pat pavadintu Brookhaveno nacionalinės laboratorijos RHIC greitintuvo detektoriumi. Jie pasinaudojo sukauptu aukso atomo branduolių susidūrimų 200 GeV energija duomenų masyvu.

Iš pradžių mokslininkai turėjo atrinkti ultraperiferinius įvykius, kuomet branduoliai praskrieja vienas pro kitą be tiesioginio nuklonų susidūrimo, tačiau sąveikauja Kulono laukais, nes būtent šiuo atveju didžiausia dviejų susidariusių fotonų susidūrimo tikimybė. Paskui iš 23 milijonų tokių ultraperiferinių įvykių tyrėjai turėjo atrinkti tuos, kurių metu gimė elektrono ir pozitrono pora, ir būtent iš Breito — Wheelerio proceso.

Atranką apsunkino tai, kad toks pats reakcijos produktas gali susidaryti ir susidūrus dviems virtualiems fotonams, o taip pat – vienam realiam ir vienam virtualiam fotonui. Ieškomus įvykius mokslininkai atrinko pagal didelę invariantišką elektrono ir pozitrono poros masę, mažą skersinį impulsą, o taip pat specifinius jonizacinius elektronų nuostolius detektoriuje ir skriejimo metu.

Dar fizikai išanalizavo, ar Breito — Wheelerio procesas vyksta, kai branduoliai iš dalies susidurdavo ir sąveikaudavo ne tik elektromagnetiniu lauku, bet ir susiduriančiais nuklonais. Moksininkai pasirinko įvykius, kurių centriškumas buvo nuo 60 iki 80 procentų, kai susidūrimo metu tarp branduolių centrų buvo nuo 11,5 iki 13,5 femtometrų (branduolio radiusas ~7 femtometrai). Paaiškėjo, kad visiems atrinktiems įvykiams būdingas Breito — Wheelerio procesui būdingu elektronų atsiradimo diferencialinio skerspjūvio priklausomybėmis nuo invariantinės jų masės, polinio kampo ir skersinio impulso, kuris stipriai priklauso nuo susidūrimo centriškumo. Konkrečiai, glotnus invariantinės masės pasiskirstymas parodė, kad atrinktuose įvykiuose iš tiesų nesirado vektoriniai mezonai, o skerspjūvio priklausomybės nuo skersinio impulso pikas, kaip ir tikėtasi, buvo 38,1 ± 0,9 MeV.

Ir galiausiai, mokslininkai pirmą kartą eksperimentiškai išmatavo elektronų-pozitronų porų susidarymo skaičiaus priklausomybę nuo jų azimuto kampo: tiek ultraperiferinių, tiek ir tiesiog periferinių įvykių atveju fizikai išvydo pasiskirstymo moduliaciją pagal \(cos(4Δφ)\) dėsnį. Ultraperiferinių susidūrimų atveju moduliacijos amplitudė buvo 16,8 ± 2,5, o periferinių – 27 ± 6, o pati priklausomybė sutapo su teorinėmis prognozėmis, stebimiems atvejams suskaičiuotomis pagal reliatyvistinių branduolių elektrodinamikos kvantinius modelius.

Gauti rezultatai atveria galimybę ištirti dar vieną įdomų efektą: dvigubą šviesos lūžimą vakuume, numatytą W. Heisenbergo ir H. Eulerio 1936 metais. Įprastas dvigubas spindulio lūžimas vyksta dėl aplinkos anizotropijos.

Heisenbergas spėjo, kad analogiškas anizotropiškumas gali susidaryti ir vakuume, veikiant itin stipriems magnetiniams laukams. Tokiomis sąlygomis vakuumo lūžio rodiklis pradeda priklausyti nuo pe jį sklindančių fotonų poliarizacijos, dėl ko atsiranda netiesioginė fotonų sąveika su magnetiniu aplinkos lauku. Egzistuoja tik vienas šio efekto įrodymas: 2017 metais pro izoliuotą neutroninę žvaigždę sklidusios šviesos poliarizacijoje užfiksuoti dvigubo šviesos lūžimo vakuume pėdsakai. Tuo tarpu STAR sandarbio dalyviai šį efektą potencialiai gali stebėti prie reliatyvistinių branduolių susidariusiuose fotonuose, kurie iš karto gimsta itin stipraus magnetinio lauko aplinkoje. Be to, mokslininkų stebimi efektai jautrūs susidariusių fotonų poliarizacijai, o tai reiškia, kad gautuose duomenyse bus potencialiai galima išvysti šį efektą.