Measurement of $e^{+}{e}^{-}$ Momentum and Angular Distributions from Linearly Polarized Photon Collisions

Journal Article · 26 July 2021 · Physical Review Letters

DOI: https://doi.org/10.1103/physrevlett.127.052302 · OSTI ID:1807956

Adam, Jaroslav; Adamczyk, L.; Adams, J.  R.; Adkins, J.  K.; Agakishiev, G.; Aggarwal, M.  M.; Ahammed, Z.; Alekseev, I.; Anderson, D.  M.; Aparin, A.; Aschenauer, E.  C.; Ashraf, M.  U.; Atetalla, F.  G.; Attri, A.; Averichev, G.  S.; Bairathi, V.; Barish, K.; Behera, A.; Bellwied, R.; Bhasin, A. ; Bielcik, J.; Bielcikova, J.; Bland, L.  C.; Bordyuzhin, I.  G.; Brandenburg, J.  D. ; Brandin, A.  V.; Butterworth, J.; Caines, H.; Calderón de la Barca Sánchez, M.; Cebra, D.; Chakaberia, I.; Chaloupka, P.; Chan, B.  K.; Chang, F-H; Chang, Z.; Chankova-Bunzarova, N.; Chatterjee, A.; Chen, D.; Chen, J.  H.; Chen, X.; Chen, Z.; Cheng, J.; Cherney, M.; Chevalier, M.; Choudhury, S.; Christie, W.; Crawford, H.  J.; Csanád, M.; Daugherity, M.; Dedovich, T.  G.; Deppner, I.  M.; Derevschikov, A.  A.; Didenko, L.; Dong, X.; Drachenberg, J.  L.; Dunlop, J.  C.; Edmonds, T.; Elsey, N.; Engelage, J.; Eppley, G.; Esha, R.; Esumi, S.; Evdokimov, O.; Ewigleben, A.; Eyser, O.; Fatemi, R.; Fazio, S.; Federic, P.; Fedorisin, J.; Feng, C.  J.; Feng, Y.; Filip, P.; Finch, E.; Fisyak, Y.; Francisco, A.; Fulek, L.; Gagliardi, C.  A.; Galatyuk, T.; Geurts, F.; Gibson, A.; Gopal, K.; Grosnick, D.; Hamad, A.  I.; Hamed, A.; Harris, J.  W.; He, S.; He, W.; He, X.; Heppelmann, S.; Heppelmann, S.; Herrmann, N.; Hoffman, E.; Holub, L.; Hong, Y.; Horvat, S.; Hu, Y.; Huang, H.  Z.; Huang, S.  L.; Huang, T.; Huang, X.; Humanic, T.  J.; Huo, P.; Igo, G.; Isenhower, D.; Jacobs, W.  W.; Jena, C.; Jentsch, A.; JI, Y.; Jia, J.; Jiang, K.; Jowzaee, S.; Ju, X.; Judd, E.  G.; Kabana, S.; Kabir, M.  L.; Kagamaster, S.; Kalinkin, D.; Kang, K.; Kapukchyan, D.; Kauder, K.; Ke, H.  W.; Keane, D.; Kechechyan, A.; Kelsey, M.; Khyzhniak, Y.  V.; Kikoła, D.  P.; Kim, C.; Kimelman, B.; Kincses, D.; Kinghorn, T.  A.; Kisel, I.; Kiselev, A.; Kisiel, A.; Klein, S.  R.; Kocan, M.; Kochenda, L.; Kosarzewski, L.  K.; Kramarik, L.; Kravtsov, P.; Krueger, K.; Kulathunga Mudiyanselage, N.; Kumar, L.; Kunnawalkam Elayavalli, R.; Kwasizur, J.  H.; Lacey, R.; Lan, S.; Landgraf, J.  M.; Lauret, J.; Lebedev, A.; Lednicky, R.; Lee, J.  H.; Leung, Y.  H.; Li, C.; Li, W.; Li, W.; Li, X.; Li, Y.; Liang, Y.; Licenik, R.; Lin, T.; Lin, Y.; Lisa, M.  A.; Liu, F.; Liu, H.; Liu, P.; Liu, P.; Liu, T.; Liu, X.; Liu, Y.; Liu, Z.; Ljubicic, T.; Llope, W.  J.; Longacre, R.  S.; Lukow, N.  S.; Luo, S.; Luo, X.; Ma, G.  L.; Ma, L.; Ma, R.; Ma, Y.  G.; Magdy, N.; Majka, R.; Mallick, D.; Margetis, S.; Markert, C.; Matis, H.  S.; Mazer, J.  A.; Minaev, N.  G.; Mioduszewski, S.; Mohanty, B.; Mooney, I.; Moravcova, Z.; Morozov, D.  A.; Nagy, M.; Nam, J.  D.; Nasim, Md; Nayak, K.; Neff, D.; Nelson, J.  M.; Nemes, D.  B.; Nie, M.; Nigmatkulov, G.; Niida, T.; Nogach, L.  V.; Nonaka, T.; Odyniec, G.; Ogawa, A.; Oh, S.; Okorokov, V.  A.; Page, B.  S.; Pak, R.; Pandav, A.; Panebratsev, Y.; Pawlik, B.; Pawlowska, D.; Pei, H.; Perkins, C.; Pinsky, L.; Pintér, R.  L.; Pluta, J.; Porter, J.; Posik, M.; Pruthi, N.  K.; Przybycien, M.; Putschke, J.; Qiu, H.; Quintero, A.; Radhakrishnan, S.  K.; Ramachandran, S.; Ray, R.  L.; Reed, R.; Ritter, H.  G.; Roberts, J.  B.; Rogachevskiy, O.  V.; Romero, J.  L.; Ruan, L.; Rusnak, J.; Sahoo, N.  R.; Sako, H.; Salur, S.; Sandweiss, J.; Sato, S.; Schmidke, W.  B.; Schmitz, N.; Schweid, B.  R.; Seck, F.; Seger, J.; Sergeeva, M.; Seto, R.; Seyboth, P.; Shah, N.; Shahaliev, E.; Shanmuganathan, P.  V.; Shao, M.; Shen, F.; Shen, W.  Q.; Shi, S.  S.; Shou, Q.  Y.; Sichtermann, E.  P.; Sikora, R.; Simko, M.; Singh, J.; Singha, S.; Smirnov, N.; Solyst, W.; Sorensen, P.; Spinka, H.  M.; Srivastava, B.; Stanislaus, T.  D. S.; Stefaniak, M.; Stewart, D.  J.; Strikhanov, M.; Stringfellow, B.; Suaide, A.  A. P.; Sumbera, M.; Summa, B.; Sun, X.  M.; Sun, Y.; Sun, Y.; Surrow, B.; Svirida, D.  N.; Szymanski, P.; Tang, A.  H.; Tang, Z.; Taranenko, A.; Tarnowsky, T.; Thomas, J.  H.; Timmins, A.  R.; Tlusty, D.; Tokarev, M.; Tomkiel, C.  A.; Trentalange, S.; Tribble, R.  E.; Tribedy, P.; Tripathy, S.  K.; Tsai, O.  D.; Tu, Z.; Ullrich, T.; Underwood, D.  G.; Upsal, I.; Van Buren, G.; Vanek, J.; Vasiliev, A.  N.; Vassiliev, I.; Videbæk, F.; Vokal, S.; Voloshin, S.  A.; Wang, F.; Wang, G.; Wang, J.  S.; Wang, P.; Wang, Y.; Wang, Y.; Wang, Z.; Webb, J.  C.; Weidenkaff, P.  C.; Wen, L.; Westfall, G.  D.; Wieman, H.; Wissink, S.  W.; Witt, R.; Wu, Y.; Xiao, Z.  G.; Xie, G.; Xie, W.; Xu, H.; Xu, N.; Xu, Q.  H.; Xu, Y.  F.; Xu, Y.; Xu, Z.; Xu, Z.; Yang, C.; Yang, Q.; Yang, S.; Yang, Y.; Yang, Z.; Ye, Z.; Ye, Z.; Yi, L.; Yip, K.; Zbroszczyk, H.; Zha, W.; Zhang, D.; Zhang, S.; Zhang, S.; Zhang, X.  P.; Zhang, Y.; Zhang, Y.; Zhang, Z.  J.; Zhang, Z.; Zhao, J.; Zhong, C.; Zhou, C.; Zhu, X.; Zhu, Z.; Zurek, M.; Zyzak, M.

The Breit-Wheeler process which produces matter and antimatter from photon collisions is experimentally investigated through the observation of 6085 exclusive electron-positron pairs in ultraperipheral Au + Au collisions at $$\sqrt{s_{NN}}$$ = 200 GeV. The measurements reveal a large fourth-order angular modulation of cos 4Δ$$\phi$$ = (16.8 ± 2.5)% and smooth invariant mass distribution absent of vector mesons ($$\phi$$, ω, and ρ) at the experimental limit of ≤ 0.2% of the observed yields. The differential cross section as a function of e⁺ e^- pair transverse momentum P_⟂ peaks at low value with $$\sqrt\langle$$$$P2\atop{⟂}$$$$\rangle$$ = 38.1 ± 0.9 MeV and displays a significant centrality dependence. These features are consistent with QED calculations for the collision of linearly polarized photons quantized from the extremely strong electromagnetic fields generated by the highly charged Au nuclei at ultrarelativistic speed. The experimental results have implications for vacuum birefringence and for mapping the magnetic field which is important for emergent QCD phenomena.

• Research Organization: Brookhaven National Laboratory (BNL), Upton, NY (United States)
• Sponsoring Organization: USDOE Office of Science (SC), Nuclear Physics (NP); National Science Foundation (NSF)
• Contributing Organization: STAR Collaboration
• Grant/Contract Number: SC0012704
• OSTI ID: 1807956
• Report Number(s): BNL--221800-2021-JAAM
• Journal Information: Physical Review Letters, Journal Name: Physical Review Letters Journal Issue: 5 Vol. 127; ISSN 0031-9007
• Publisher: American Physical Society (APS)Copyright Statement
• Country of Publication: United States
• Language: English