Таємничий квантовий феномен дозволяє нам зазирнути всередину серця атома
Жоден зонд, жоден мікроскоп і жоден рентгенівський апарат не можуть розібратися в хаотичній розмитості квантових зубців, що крутяться всередині атома, залишаючи фізикам теоретизувати якнайкраще, ґрунтуючись на уламках високошвидкісних зіткнень у колайдерах частинок.
Тепер у дослідників є новий інструмент, який уже дає їм невеликий погляд на протони та нейтрони, які утворюють ядра атомів, заснований на сплутанні частинок, які утворюються, коли атоми золота швидко проносяться повз один одного.
Використовуючи потужний релятивістський колайдер важких іонів (RHIC) у Брукхейвенській національній лабораторії Міністерства енергетики США, вчені показали, як можна отримати точні деталі розташування протонів і нейтронів золота за допомогою свого роду квантової інтерференції, якої ніколи раніше не бачили в експерименті. .
«Ця техніка схожа на те, як лікарі використовують позитронно-емісійну томографію (ПЕТ-сканування), щоб побачити, що відбувається всередині мозку та інших частин тіла», — каже фізик Джеймс Деніел Бранденбург, колишній дослідник Брукхейвена, а тепер учасник колаборації STAR.
«Але в цьому випадку ми говоримо про відображення характеристик на шкалі фемтометрів — квадрильйонних часток метра — розміру окремого протона».
У термінах підручника анатомію протона можна описати як тріо фундаментальних будівельних блоків, званих кварками, зв’язаних між собою шляхом обміну силовою частинкою, званою глюоном.
Якби ми збільшили масштаб і спостерігали за цією співпрацею з перших вуст, ми б не побачили нічого такого чудового. Частинки та античастинки з’являються та зникають у киплячій піні статистичного божевілля, де правила розподілу частинок є зовсім не послідовними.
Накладення обмежень на рухи та імпульси кварків і глюонів вимагає деякого розумного мислення, але фізики справді хочуть отримати вагомі докази.
На жаль, просте освітлення протона не призведе до моментального знімка його рухомих частин. Фотони та глюони грають за дуже різними правилами, тобто вони фактично невидимі один для одного.
Однак є лазівка. Наповнені достатньою кількістю енергії, хвилі світла можуть іноді збивати пари частинок, які сидять на межі існування, перш ніж знову зникнути, серед яких є кварки та антикварки.
Якщо це спонтанне виникнення станеться в радіусі чутності ядра атома, мерехтіння полтергейста протилежних кварків може змішатися з закручуваннями глюонів і тимчасово утворити конгломерат, відомий як ро-частинка , яка за частку секунди розбивається на пару заряджених частинок. частинки, які називаються піонами .
Ці пари складаються з позитивного піона, що складається з верхнього кварка та нижнього антикварка, і негативного піона, що складається з нижнього кварка та верхнього антикварка.
Відстеження шляху та властивостей півоній, утворених таким чином, може розповісти нам щось про гніздо шершнів, у якому вони народилися.
Кілька років тому дослідники RHIC виявили можливість використовувати електромагнітні поля, що оточують атоми золота, що рухаються на високих швидкостях, як джерело фотонів.
«У попередній роботі ми продемонстрували, що ці фотони поляризовані, а їхнє електричне поле випромінює назовні від центру іона», — каже фізик з Брукхейвена Чжанбу Сю.
«І тепер ми використовуємо цей інструмент, поляризоване світло, щоб ефективно відобразити ядра при високій енергії».
Коли два атоми золота ледь уникають розбиття, коли вони обертаються навколо колайдера в протилежних напрямках, фотони світла, що проходять через кожне ядро, можуть породити частинку ро і, отже, пари заряджених піонів.
Фізики виміряли піони, викинуті з ядер золота, що пролітають, і показали, що вони справді мають протилежні заряди. Аналіз хвилеподібних властивостей потоку частинок показав ознаки інтерференції, які можна простежити до поляризації світла, і натякнув на щось набагато менш очікуване.
У типових прикладних і експериментальних квантових налаштуваннях спостерігається заплутаність між тими самими типами частинок: електрони з електронами, фотони з фотонами та атоми з атомами.
Моделі інтерференції, які спостерігаються під час аналізу частинок, утворених у цьому експерименті, можна пояснити лише сплутаністю неідентичних частинок – негативно зарядженого піона з позитивно зарядженим піоном.
Хоча це далеко не теоретична аномалія, це далеко не повсякденне явище в лабораторії, дорівнює першому експериментальному спостереженню заплутування за участю різнорідних частинок.
Простеживши заплутані інтерференційні візерунки до ядер золота, фізики змогли створити двовимірний портрет розподілу глюонів, надаючи нове розуміння структур ядерних частинок.
«Тепер ми можемо зробити знімок, на якому ми дійсно зможемо розрізнити щільність глюонів під заданим кутом і радіусом», — каже Бранденбург.
«Зображення настільки точні, що ми навіть починаємо бачити різницю між тим, де знаходяться протони, і де нейтрони розташовані всередині цих великих ядер».
