Fizycy jądrowi znaleźli nowy sposób wykorzystania Relatywistycznego Zderzacza Ciężkich Jonów (RHIC) – zderzacza cząstek w Narodowym Laboratorium Brookhaven Departamentu Energii USA (DOE) – aby zobaczyć kształt i szczegóły wewnątrz jąder atomowych. Metoda opiera się na cząsteczkach światła, które otaczają jony złota, gdy poruszają się wokół zderzacza, oraz na nowym rodzaju splątania kwantowego, którego nigdy wcześniej nie widziano.
Poprzez serię fluktuacji kwantowych cząstki światła (inaczej fotony) wchodzą w interakcję z gluonami – podobnymi do kleju cząstkami, które utrzymują razem kwarki w protonach i neutronach jąder. Te interakcje tworzą cząstkę pośrednią, która szybko rozpada się na dwa różnie naładowane „piony” (π). Mierząc prędkość i kąty, pod którymi te cząstki π+ i π- uderzają w detektor STAR RHIC, naukowcy mogą cofnąć się, aby uzyskać kluczowe informacje o fotonie – i wykorzystać je do mapowania rozmieszczenia gluonów w jądrze z większą precyzją niż kiedykolwiek wcześniej.
„Ta technika jest podobna do sposobu, w jaki lekarze wykorzystują pozytronową tomografię emisyjną (skanowanie PET), aby zobaczyć, co dzieje się w mózgu i innych częściach ciała” – powiedział były fizyk z Brookhaven Lab, James Daniel Brandenburg, członek współpracy STAR, który dołączył do The Ohio State University jako adiunkt w styczniu 2023 r. „Ale w tym przypadku mówimy o mapowaniu cech w skali femtometrów – biliardowych części metra – wielkości pojedynczego protonu”.
Jeszcze bardziej zdumiewające, jak twierdzą fizycy STAR, jest obserwacja zupełnie nowego rodzaju interferencji kwantowej, która umożliwia ich pomiary.
„Mierzymy dwie wychodzące cząstki i wyraźnie ich ładunki są różne – są to różne cząstki – ale widzimy wzorce interferencji, które wskazują, że te cząstki są splątane lub zsynchronizowane ze sobą, mimo że są to cząstki rozróżnialne” – powiedział fizyk z Brookhaven oraz współpracownik STAR, Zhangbu Xu.
To odkrycie może mieć zastosowanie znacznie wykraczające poza wzniosły cel, jakim jest mapowanie cegiełek materii.
Na przykład wielu naukowców, w tym nagrodzeni Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki w 2022 r., stara się wykorzystać splątanie – rodzaj „świadomości” i interakcji fizycznie oddzielonych cząstek. Jednym z celów jest stworzenie znacznie potężniejszych narzędzi komunikacyjnych i komputerów niż te, które istnieją obecnie. Ale większość innych dotychczasowych obserwacji splątania, w tym niedawna demonstracja interferencji laserów o różnych długościach fal, dotyczyła fotonów lub identycznych elektronów.
„To pierwsza w historii eksperymentalna obserwacja splątania różnych cząstek” – powiedział Brandenburg.
Praca została opisana w artykule opublikowanym właśnie w Science Advances.
Rzucanie światła na gluony
RHIC działa jako obiekt użytkownika DOE Office of Science, w którym fizycy mogą badać najgłębsze elementy budulcowe materii jądrowej – kwarki i gluony, z których składają się protony i neutrony. Robią to, zderzając ze sobą jądra ciężkich atomów, takich jak złoto, poruszających się w przeciwnych kierunkach wokół zderzacza z prędkością bliską prędkości światła. Intensywność tych zderzeń między jądrami (zwanymi także jonami) może „rozpuścić” granice między poszczególnymi protonami i neutronami, dzięki czemu naukowcy mogą badać kwarki i gluony, jakie istniały w bardzo wczesnym Wszechświecie – zanim powstały protony i neutrony.
Ale fizycy jądrowi chcą również wiedzieć, jak zachowują się kwarki i gluony w istniejących obecnie jądrach atomowych – aby lepiej zrozumieć siłę, która utrzymuje razem te elementy budulcowe.
Niedawne odkrycie wykorzystujące „chmury” fotonów otaczających pędzące jony RHIC sugeruje sposób wykorzystania tych cząstek światła, aby uzyskać wgląd do wnętrza jąder. Jeśli dwa jony złota mijają się bardzo blisko siebie bez zderzenia, fotony otaczające jeden jon mogą badać wewnętrzną strukturę drugiego.
„We wcześniejszej pracy wykazaliśmy, że te fotony są spolaryzowane, a ich pole elektryczne promieniuje na zewnątrz od środka jonu. A teraz używamy tego narzędzia, spolaryzowanego światła, do efektywnego obrazowania jąder o wysokiej energii” – powiedział Xu. .
Zaobserwowana interferencja kwantowa między π+ i π- w nowo analizowanych danych umożliwia bardzo dokładny pomiar kierunku polaryzacji fotonów. To z kolei pozwala fizykom przyjrzeć się rozkładowi gluonów zarówno wzdłuż kierunku ruchu fotonu, jak i prostopadle do niego.
To dwuwymiarowe obrazowanie okazuje się bardzo ważne.
„Wszystkie poprzednie pomiary, w których nie znaliśmy kierunku polaryzacji, mierzono gęstość gluonów jako średnią – jako funkcję odległości od centrum jądra” – powiedział Brandenburg. „To jednowymiarowy obraz”.
Wszystkie te pomiary sprawiły, że jądro wyglądało na zbyt duże w porównaniu z tym, co przewidywały modele teoretyczne i pomiary rozkładu ładunku w jądrze.
„Dzięki tej technice obrazowania 2D byliśmy w stanie rozwiązać 20-letnią tajemnicę, dlaczego tak się dzieje” – powiedział Brandenburg.
Nowe pomiary pokazują, że pęd i energia samych fotonów są splątane z energią gluonów. Pomiar wzdłuż kierunku fotonu (lub niewiedza, jaki to kierunek) powoduje, że obraz jest zniekształcony przez te efekty fotonowe. Ale pomiar w kierunku poprzecznym pozwala uniknąć rozmycia fotonów.
„Teraz możemy zrobić zdjęcie, na którym naprawdę możemy rozróżnić gęstość gluonów pod danym kątem i promieniem” – powiedział Brandenburg. „Obrazy są tak precyzyjne, że możemy nawet zacząć dostrzegać różnicę między położeniem protonów a rozmieszczeniem neutronów w tych dużych jądrach”.
Naukowcy twierdzą, że nowe zdjęcia odpowiadają jakościowo przewidywaniom teoretycznym wykorzystującym rozkład gluonów, a także pomiarom rozkładu ładunku elektrycznego w jądrach.
Szczegóły pomiarów
Aby zrozumieć, w jaki sposób fizycy dokonują pomiarów 2D, cofnijmy się do cząstki generowanej w wyniku interakcji foton-gluon. Nazywa się to rho i rozpada się bardzo szybko – w mniej niż cztery septylionowe sekundy – na π+ i π-. Suma pędów tych dwóch pionów daje fizykom pęd macierzystej cząstki rho oraz informacje, które obejmują rozkład gluonów i efekt rozmycia fotonów.
Aby wyodrębnić tylko rozkład gluonów, naukowcy mierzą kąt między ścieżką π+ lub π- a trajektorią rho. Im ten kąt jest bliższy 90 stopni, tym mniej rozmycia uzyskasz z sondy fotonowej. Śledząc piony pochodzące z cząstek rho poruszających się pod różnymi kątami i energiami, naukowcy mogą sporządzić mapę rozkładu gluonów w całym jądrze.
A teraz dziwactwo kwantowe, które umożliwia pomiary – dowód na to, że cząstki π+ i π- uderzające w detektor STAR wynikają z wzorców interferencji powstałych w wyniku splątania tych dwóch odmiennych, przeciwnie naładowanych cząstek.
Pamiętaj, że wszystkie cząstki, o których mówimy, istnieją nie tylko jako obiekty fizyczne, ale także jako fale. Podobnie jak zmarszczki na powierzchni stawu promieniujące na zewnątrz, gdy uderzają w skałę, matematyczne „funkcje falowe”, które opisują grzbiety i doliny fal cząstek, mogą interferować, wzmacniając lub znosząc się nawzajem.
Kiedy fotony otaczające dwa prawie chybione rozpędzone jony wchodzą w interakcje z gluonami wewnątrz jąder, to tak, jakby te interakcje rzeczywiście generowały dwie cząstki rho, po jednej w każdym jądrze. Gdy każde rho rozpada się na π+ i π-, funkcja falowa pionu ujemnego z jednego rozpadu rho koliduje z funkcją falową pionu ujemnego z drugiego. Kiedy wzmocniona funkcja falowa uderza w detektor STAR, detektor widzi jeden π-. To samo dzieje się z funkcjami falowymi dwóch dodatnio naładowanych pionów, a detektor widzi jedno π+.
„Interferencja występuje między dwiema funkcjami falowymi identycznych cząstek, ale bez splątania między dwiema odmiennymi cząstkami – π+ i π- – ta interferencja nie miałaby miejsca” – powiedział Wangmei Zha, współpracownik STAR z University of Science and Technology of China i jeden z pierwotnych orędowników tego wyjaśnienia. „To jest dziwactwo mechaniki kwantowej!”
Czy rhos może być po prostu splątany? Naukowcy twierdzą, że nie. Funkcje falowe cząstek rho powstają w odległości 20 razy większej niż odległość, którą mogłyby pokonać w ciągu swojego krótkiego życia, więc nie mogą oddziaływać ze sobą, zanim rozpadną się na π+ i π-. Ale funkcje falowe π+ i π- z każdego rozpadu rho zachowują informację kwantową swoich cząstek macierzystych; ich grzbiety i doliny są w fazie, „świadome siebie”, pomimo uderzenia detektora o kilka metrów.
„Gdyby π+ i π- nie były splątane, dwie funkcje falowe π+ (lub π-) miałyby losową fazę, bez wykrywalnego efektu interferencji” – powiedział Chi Yang, współpracownik STAR z Shandong University w Chinach, który również pomógł przeprowadzić analizę tego wyniku. „Nie zauważylibyśmy żadnej orientacji związanej z polaryzacją fotonów – ani nie bylibyśmy w stanie wykonać tak precyzyjnych pomiarów”.
Przyszłe pomiary w RHIC z cięższymi cząstkami i różnymi okresami życia – oraz w zderzaczu elektronowo-jonowym (EIC) budowanym w Brookhaven – będą badać bardziej szczegółowe rozkłady gluonów wewnątrz jąder i testować inne możliwe scenariusze interferencji kwantowej.
Ta praca została sfinansowana przez DOE Office of Science, amerykańską National Science Foundation oraz szereg międzynarodowych agencji wymienionych w opublikowanym artykule. Zespół STAR wykorzystał zasoby obliczeniowe RHIC i ATLAS Computing Facility/Scientific Data and Computing Center w Brookhaven Lab, National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) – obiekt użytkownika DOE Office of Science w Lawrence Berkeley National Laboratory – oraz konsorcjum Open Science Grid.