Tomography of Ultra-relativistic Nuclei with Polarized Photon-gluon Collisions

Collaboration, Star; Abdallah, M. S.; Aboona, B. E.; Adam, J.; Adamczyk, L.; Adams, J. R.; Adkins, J. K.; Agakishiev, G.; Aggarwal, I.; Aggarwal, M. M.; Ahammed, Z.; Aitbaev, A.; Alekseev, I.; Anderson, D. M.; Aparin, A.; Aschenauer, E. C.; Ashraf, M. U.; Atetalla, F. G.; Averichev, G. S.; Bairathi, V.; Baker, W.; Ball Cap, J. G.; Barish, K.; Behera, A.; Bellwied, R.; Bhagat, P.; Bhasin, A.; Bielcik, J.; Bielcikova, J.; Bordyuzhin, I. G.; Brandenburg, J. D.; Brandin, A. V.; Cai, X. Z.; Caines, H.; Calderón de la Barca Sánchez, M.; Cebra, D.; Chakaberia, I.; Chaloupka, P.; Chan, B. K.; Chang, F-H.; Chang, Z.; Chatterjee, A.; Chattopadhyay, S.; Chen, D.; Chen, J.; Chen, J. H.; Chen, X.; Chen, Z.; Cheng, J.; Choudhury, S.; Christie, W.; Chu, X.; Crawford, H. J.; Csanád, M.; Daugherity, M.; Dedovich, T. G.; Deppner, I. M.; Derevschikov, A. A.; Dhamija, A.; Di Carlo, L.; Didenko, L.; Dixit, P.; Dong, X.; Drachenberg, J. L.; Duckworth, E.; Dunlop, J. C.; Engelage, J.; Eppley, G.; Esumi, S.; Evdokimov, O.; Ewigleben, A.; Eyser, O.; Fatemi, R.; Fawzi, F. M.; Fazio, S.; Feng, C. J.; Feng, Y.; Finch, E.; Fisyak, Y.; Francisco, A.; Fu, C.; Gagliardi, C. A.; Galatyuk, T.; Geurts, F.; Ghimire, N.; Gibson, A.; Gopal, K.; Gou, X.; Grosnick, D.; Gupta, A.; Guryn, W.; Hamed, A.; Han, Y.; Harabasz, S.; Harasty, M. D.; Harris, J. W.; Harrison, H.; He, S.; He, W.; X. H., He; He, Y.; Heppelmann, S.; Herrmann, N.; Hoffman, E.; Holub, L.; Hu, C.; Hu, Q.; Hu, Y.; Huang, H.; Huang, H. Z.; Huang, S. L.; Huang, T.; Huang, X.; Huang, Y.; Humanic, T. J.; Isenhower, D.; Isshiki, M.; Jacobs, W. W.; Jena, C.; Jentsch, A.; Ji, Y.; Jia, J.; Jiang, K.; Ju, X.; Judd, E. G.; Kabana, S.; Kabir, M. L.; Kagamaster, S.; Kalinkin, D.; Kang, K.; Kapukchyan, D.; Kauder, K.; H. W., Ke; Keane, D.; Kechechyan, A.; Kelsey, M.; Kikoła, D. P.; Kimelman, B.; Kincses, D.; Kisel, I.; Kiselev, A.; Klein, S. R.; Knospe, A. G.; H. S., Ko; Kochenda, L.; Korobitsin, A.; Kosarzewski, L. K.; Kramarik, L.; Kravtsov, P.; Kumar, L.; Kumar, S.; 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.; Lewis, N.; Li, C.; Li, C.; Li, W.; Li, X.; Li, Y.; Li, Y.; Liang, X.; Liang, Y.; Licenik, R.; Lin, T.; Lin, Y.; Lisa, M. A.; Liu, F.; Liu, H.; Liu, H.; Liu, P.; Liu, T.; Liu, X.; Liu, Y.; Liu, Z.; Ljubicic, T.; Llope, W. J.; Longacre, R. S.; Loyd, E.; Lu, T.; Lukow, N. S.; Luo, X. F.; Ma, L.; Ma, R.; Y. G., Ma; Magdy, N.; Mallick, D.; Manukhov, S. L.; Margetis, S.; Markert, C.; Matis, H. S.; Mazer, J. A.; Minaev, N. G.; Mioduszewski, S.; Mohanty, B.; Mondal, M. M.; Mooney, I.; Morozov, D. A.; Mukherjee, A.; Nagy, M.; Nam, J. D.; Nasim, Md.; Nayak, K.; Neff, D.; Nelson, J. M.; Nemes, D. B.; Nie, M.; Nigmatkulov, G.; Niida, T.; Nishitani, R.; Nogach, L. V.; Nonaka, T.; Nunes, A. S.; Odyniec, G.; Ogawa, A.; Oh, S.; Okorokov, V. A.; Okubo, K.; Page, B. S.; Pak, R.; Pan, J.; Pandav, A.; Pandey, A. K.; Panebratsev, Y.; Parfenov, P.; Paul, A.; Pawlik, B.; Pawlowska, D.; Perkins, C.; Pluta, J.; Pokhrel, B. R.; Porter, J.; Posik, M.; Prozorova, V.; Pruthi, N. K.; Przybycien, M.; Putschke, J.; Qiu, H.; Quintero, A.; Racz, C.; Radhakrishnan, S. K.; Raha, N.; Ray, R. L.; Reed, R.; Ritter, H. G.; Robotkova, M.; Romero, J. L.; Roy, D.; Ruan, L.; Sahoo, A. K.; Sahoo, N. R.; Sako, H.; Salur, S.; Samigullin, E.; Sandweiss, J.; Sato, S.; Schmidke, W. B.; Schmitz, N.; Schweid, B. R.; Seck, F.; Seger, J.; Seto, R.; Seyboth, P.; Shah, N.; Shahaliev, E.; Shanmuganathan, P. V.; Shao, M.; Shao, T.; Sharma, R.; Sheikh, A. I.; Shen, D. Y.; Shi, S. S.; Shi, Y.; Shou, Q. Y.; Sichtermann, E. P.; Sikora, R.; Singh, J.; Singha, S.; Sinha, P.; Skoby, M. J.; Smirnov, N.; Söhngen, Y.; Solyst, W.; Song, Y.; Spinka, H. M.; Srivastava, B.; Stanislaus, T. D. S.; Stefaniak, M.; Stewart, D. J.; Strikhanov, M.; Stringfellow, B.; Suaide, A. A. P.; Sumbera, M.; Sun, X. M.; Sun, X.; Sun, Y.; Sun, Y.; Surrow, B.; Svirida, D. N.; Sweger, Z. W.; Szymanski, P.; Tang, A. H.; Tang, Z.; Taranenko, A.; Tarnowsky, T.; Thomas, J. H.; Timmins, A. R.; Tlusty, D.; Todoroki, T.; Tokarev, M.; Tomkiel, C. A.; Trentalange, S.; Tribble, R. E.; Tribedy, P.; Tripathy, S. K.; Truhlar, T.; Trzeciak, B. A.; Tsai, O. D.; Tu, Z.; Ullrich, T.; Underwood, D. G.; Upsal, I.; Van Buren, G.; Vanek, J.; Vasiliev, A. N.; Vassiliev, I.; Verkest, V.; Videbæk, F.; Vokal, S.; Voloshin, S. A.; Wang, F.; Wang, G.; Wang, J. S.; Wang, P.; Wang, X.; Wang, Y.; Wang, Y.; Wang, Z.; Webb, J. C.; Weidenkaff, P. C.; Westfall, G. D.; Wieman, H.; Wissink, S. W.; Witt, R.; Wu, J.; Wu, J.; Wu, Y.; Xi, B.; Xiao, Z. G.; Xie, G.; Xie, W.; Xu, H.; Xu, N.; Q. H., Xu; Xu, Y.; Xu, Z.; Xu, Z.; Yan, G.; Yang, C.; Yang, Q.; Yang, S.; Yang, Y.; Ye, Z.; Ye, Z.; Yi, L.; Yip, K.; Yu, Y.; Zbroszczyk, H.; Zha, W.; Zhang, C.; Zhang, D.; Zhang, J.; Zhang, S.; Zhang, S.; Zhang, Y.; Zhang, Y.; Zhang, Y.; Zhang, Z. J.; Zhang, Z.; Zhang, Z.; Zhao, F.; Zhao, J.; Zhao, M.; Zhou, C.; Zhou, Y.; Zhu, X.; Zurek, M.; Zyzak, M.

doi:10.1126/sciadv.abq3903

A linearly polarized photon can be quantized from the Lorentz-boostedelectromagnetic field of a nucleus traveling at ultra-relativistic speed. Whentwo relativistic heavy nuclei pass one another at a distance of a few nuclearradii, the photon from one nucleus may interact through a virtualquark-antiquark pair with gluons from the other nucleus forming a short-livedvector meson (e.g. ${\rho^0}$). In this experiment, the polarization wasutilized in diffractive photoproduction to observe a unique spin interferencepattern in the angular distribution of ${\rho^0\rightarrow\pi^+\pi^-}$ decays.The observed interference is a result of an overlap of two wave functions at adistance an order of magnitude larger than the ${\rho^0}$ travel distancewithin its lifetime. The strong-interaction nuclear radii were extracted fromthese diffractive interactions, and found to be $6.53\pm 0.06$ fm ($^{197} {\rmAu }$) and $7.29\pm 0.08$ fm ($^{238} {\rm U}$), larger than the nuclear chargeradii. The observable is demonstrated to be sensitive to the nuclear geometryand quantum interference of non-identical particles.