Нов метод позволява на физиците да „надникнат“ в атомните ядра

За пръв път положително и отрицателно заредени версии на една и съща частица са квантово вплетени, което позволява да се картографират по-точно сърцевините на атомите и отваря вратите за по-мощни комуникационни инструменти.

Новият метод е разработен от ядрени физици в детектора STAR на Релативисткия колайдер на тежки йони RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider).

Неутроните и протоните, които изграждат ядрата на атомите, са съставени от кварки. Сами по себе си обаче кварките са нестабилни и се нуждаят от глуони, носители на силното взаимодействие, които да ги държат заедно. Глуоните са твърде малки, за да се видят дори с най-мощните микроскопи, но все пак те могат да взаимодействат с фотоните и да създават изключително краткотрайни частици ρ-мезони, които се разпадат до заредени двукваркови частици, наречени пиони.

Чрез измерване на ъглите и скоростта, с които се появяват положителните и отрицателните пиони (π+ и π-), учените от Националната лаборатория Брукхейвън създават карта на разпределението на глуоните в ядрата на атомите на златото и урана. Те съобщават, че тази карта е най-точното описание на вътрешната структура на атомното ядро.

"Тази техника е подобна на начина, по който лекарите използват позитронно-емисионна томография (ПЕТ), за да видят какво се случва в мозъка и други части на тялото", отбелязва д-р Джеймс Даниел Бранденбург (James Daniel Brandenburg), член на STAR Collaboration и физик в Националната лаборатория Брукхейвън и Държавния университет в Охайо.

"Но в този случай става дума за картографиране на характеристики в мащаба на фемтометри - квадрилионни части от метъра - големината на отделен протон."

Картата дава на физиците на елементарните частици по-добра представа за природата на реалността, но още по-удивително е наблюдението на изцяло нов вид квантова интерференция, която прави възможни техните измервания.

Квантовото вплитане поддържа връзка между разделени частици, така че промяната в едната да се отрази на другата. Макар че в областта на вплитането вече има големи постижения и дори печелят Нобелови награди, преди това те са били свързани с увеличаване на броя на вплетените частици или на разстоянията, на които се осъществява вплитането.

Вплетените частици досега обикновено са електрони, идентични един на друг, или фотони. "Това е първото в историята експериментално наблюдение на заплитане между разнородни частици", подчертава Бранденбург. В своя експеримент екипът вплита два пиона, но противоположните им заряди ги правят лесни за различаване един от друг.

"Измерваме две изходящи частици и е ясно, че зарядите им са различни - те са различни частици - но виждаме интерференчни модели, които показват, че тези частици са вплетени или синхронизирани една с друга, въпреки че са различни частици", отбелязва д-р Джанбу Сю (Zhangbu Xu), член на STAR Collaboration и физик в Националната лаборатория Брукхейвън.

По-голямата част от изследванията на вътрешната структура на атомните ядра се извършват в ускорители на частици, които разбиват ядрата заедно със скорост, близка до тази на светлината. Въпреки че наблюдението на отломките от тези сблъсъци ни казва много за поведението на частиците при екстремни условия, като например малко след Големия взрив, то е малко като да наблюдаваш действията на животни в зоологическа градина и да екстраполираш поведението им в дивата природа. Бранденбург и неговите съавтори се стремят да надникнат по-близо до ядрата в тяхната естествена среда.

За тази цел те карат ядра на злато и уран да се приплъзват едно покрай друго с изключителна скорост, без да се сблъскват, само на няколко ядрени ширини едно от друго. Всяко ядро е било заобиколено от облак фотони, получени при ускоряването му в магнитно поле. Фотоните на едното ядро взаимодействат с глуоните в другото.

След като преди това доказват, че тези заобикалящи ги фотони са поляризирани, авторите могат да създадат двуизмерна карта на разпределението на глуоните, като посоката на поляризация представлява една от осите. Предишните опити, при които не е имало данни за поляризацията, са разкривали само на какво разстояние се намира всеки глуон от центъра на ядрото. Физиците са интерпретирали неправилно тези резултати по начин, който е представял ядрото по-голямо, отколкото предполагат експериментите, проведени по друг начин, и теоретичните модели.

"С тази техника за 2D изображения успяхме да разрешим 20-годишната загадка защо се случва това", посочва Бранденбург.

Авторите заключават, че предишните измервания са объркали собствения импулс и енергия на фотона с тези на глуоните. Разделянето на двете неща позволява да се получат толкова ясни карти, твърди Бранденбург: "Изображенията са толкова прецизни, че дори можем да започнем да виждаме разликата между това къде са протоните и къде са разположени неутроните в тези големи ядра."

Освен това те съответстват много по-добре на теоретичните модели.

Това откритие може да има приложения далеч отвъд високата цел да се картографират градивните елементи на материята, смятат изследователите. Например квантовото вплитане може да се използва за създаването на значително по-мощни инструменти за комуникация и компютри от съществуващите днес.

Справка: M.S. Abdallah et al. (STAR Collaboration). 2023. Tomography of ultra-relativistic nuclei with polarized photon-gluon collisions. Science Advances 4 Jan 2023 Vol 9, Issue 1 DOI: 10.1126/sciadv.abq3903

Източник:

New Method Lets Physicists ‘See’ Details inside Atomic Nuclei
News Staff, Sci.News

First Quantum Entanglement Between Dissimilar Particles Provides A View Inside Atomic Nuclei, IFLScience