ALICE mede padrão de interferência semelhante ao experimento da dupla fenda

No famoso experimento da dupla fenda, um padrão de interferência consistindo de faixas escuras e brilhantes emerge quando um feixe de luz atinge duas fendas estreitas. O mesmo efeito também foi visto com partículas como elétrons e prótons, demonstrando a natureza ondulatória de partículas em propagação na mecânica quântica.

Normalmente, experimentos desse tipo produzem padrões de interferência na escala nanométrica. Em um estudo recente publicado no arXiv servidor de pré-impressão, a colaboração ALICE mediu um padrão de interferência semelhante na escala do femtômetro usando colisões ultraperiféricas entre núcleos de chumbo no Grande Colisor de Hádrons (LHC).

Em colisões ultraperiféricas entre dois núcleos pesados, os núcleos passam próximos um do outro sem colidir. Aqui, a distância perpendicular entre os dois núcleos — o parâmetro de impacto — é maior que a soma de seus raios, e um núcleo emite um fóton que se transforma em um par virtual composto de um quark e seu parceiro de antimatéria.

Este par interage fortemente com o outro núcleo, resultando na emissão de um tipo de partícula conhecida como méson vetor e na troca de dois glúons (veja a figura acima). Essa fotoprodução de méson vetor é uma ferramenta bem estabelecida para sondar a estrutura interna de núcleos em colisão.

Na fotoprodução de mésons vetoriais envolvendo sistemas simétricos, como dois núcleos de chumbo, não é possível determinar qual dos núcleos emite o fóton e qual emite os dois glúons. Além disso, devido ao curto alcance da força forte entre o par quark-antiquark virtual e o núcleo, os mésons vetoriais são produzidos dentro ou perto de um dos dois núcleos bem separados.

Por causa disso e de sua vida útil relativamente curta, os mésons vetores decaem muito rapidamente em outras partículas. Esses produtos de decaimento formam um estado emaranhado mecanicamente quântico e geram um padrão de interferência semelhante ao de um interferômetro de dupla fenda.

Na fotoprodução do méson vetor rho eletricamente neutro (ρ⁰), o assunto do estudo recente da colaboração ALICE, o padrão de interferência assume a forma de uma modulação cos(2φ) do ρ⁰ rendimento, onde φ é o ângulo entre os dois vetores formados pela soma e diferença dos momentos transversais dos dois píons de carga oposta nos quais o ρ⁰ decai. Espera-se que a força da modulação aumente à medida que o parâmetro de impacto diminui.

Usando um conjunto de dados de 57.000 ρ⁰ mésons produzidos em colisões chumbo-chumbo que ocorreram a uma energia de 5,02 teraeletronvolts por par de núcleons (prótons e nêutrons) durante a Execução 2 do LHC, a equipe ALICE mediu a modulação cos(2φ) do ρ⁰ rendimento para diferentes valores do parâmetro de impacto.

As medições mostraram que a força da modulação varia fortemente com o parâmetro de impacto, cujo valor é da ordem de femtômetros (veja a figura abaixo). Cálculos teóricos indicam que esse comportamento é de fato o resultado de um efeito de interferência quântica na escala do femtômetro.

Na atual 3ª execução do LHC e na próxima execução, 4ª execução, espera-se que o ALICE colete mais de 15 milhões de ρ⁰ mésons de colisões chumbo-chumbo. Este conjunto de dados aprimorado permitirá uma análise mais detalhada do efeito de interferência.