Таинственный квантовый феномен позволяет нам заглянуть внутрь атомного ядра

В сердце каждого атома во Вселенной бесшумно кружится вихревой ветер частиц, который физика жаждет понять.

Ни зонд, ни микроскоп, ни рентгеновский аппарат не могут надеяться сделать ощущение хаотического размытия квантовых шестерёнок, жужжащих внутри атома, оставляя физикам теоретизировать как можно лучше, основываясь на обломках высокоскоростных столкновений внутри коллайдеров частиц.

У исследователей теперь есть новый инструмент, который уже давая им небольшое представление о протонах и нейтронах, которые образуют ядра атомов, основанное на запутывании частиц, возникающих, когда атомы золота соскальзывают друг с другом на скорости.

Использование мощного релятивистского коллайдера тяжелых ионов (RHIC) в Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США ученые показали, как можно получить точные данные о расположении протонов и нейтронов в золоте с помощью своего рода квантовой интерференции, никогда ранее не встречавшейся в эксперименте.

«Эта техника похожа на w «Все врачи используют позитронно-эмиссионную томографию (ПЭТ-сканирование), чтобы увидеть, что происходит внутри мозга и других частей тела», — говорит физик Джеймс Дэниел Бранденбург, бывший исследователь из Брукхейвена, а ныне участник коллаборации STAR.

» Но в данном случае мы говорим о отображении особенностей в масштабе фемтометров — квадриллионных долей метра — размера отдельного протона».

С точки зрения учебника, анатомия протона может быть описывается как три фундаментальных строительных блока, называемых кварками, связанных друг с другом за счет обмена несущей взаимодействие частицей, называемой глюоном.

Если бы мы увеличили масштаб и наблюдали это взаимодействие воочию, мы бы не увидели ничего столь аккуратного. . Частицы и античастицы появляются и исчезают в кипящей пене статистического безумия, где правила распределения частиц совсем не последовательны.

Наложение ограничений на движения и импульсы кварков и глюонов требует некоторого умного мышления. , но веские доказательства — это то, чего действительно хотят физики.

К сожалению, простое освещение протона не приведет к снимку его движущихся частей. Фотоны и глюоны действуют по совершенно разным правилам, а это означает, что они фактически невидимы друг для друга.

Однако есть лазейка. Обладая достаточным количеством энергии, световые волны могут время от времени взбалтывать пары частиц, которые находятся на грани существования, прежде чем снова исчезнуть, среди которых есть кварки и антикварки.

Если это спонтанное появление произойдет в пределах слышимости атома ядра, полтергейст мерцания противоположных кварков может смешиваться с вращающимися залпами глюонов и временно образовывать конгломерат, известный как ро-частица, который за долю секунды распадается на пару заряженных частиц, называемых пионами.

Эти пары состоят из положительного пиона, состоящего из верхний кварк и нижний антикварк, а также отрицательный пион, состоящий из нижнего кварка и верхнего антикварка.

Прослеживание пути и свойств образовавшихся таким образом пионов может рассказать нам кое-что об осином гнезде, в котором он родился. .

Пару лет назад исследователи из RHIC обнаружили, что можно использовать электромагнитные поля, окружающие Атомы золота, движущиеся с высокой скоростью, как источник фотонов.

«В этой более ранней работе мы продемонстрировали, что эти фотоны поляризованы, а их электрическое поле излучается наружу от центра иона», — говорит Брукхейвен. физик Чжанбу Сюй.

«И теперь мы используем этот инструмент, поляризованный свет, для эффективного изображения ядер при высоких энергиях.»

Когда два атома золота едва избегают столкновения, вращаясь вокруг коллайдера в противоположных направлениях, фотоны света, проходящие через каждое ядро, могут породить ро-частицу и, следовательно, пары заряженных пионов.

Физики измерили пионы, испускаемые пролетающими ядрами золота, и показали, что они действительно имеют противоположные заряды. Анализ волнообразных свойств ливня частиц показал признаки интерференции, которые можно проследить до поляризации света, и намекнул на нечто гораздо менее ожидаемое.

В типичных прикладных и экспериментальных квантовых условиях запутанность наблюдается между одними и теми же видами частиц: электронами с электронами, фотонами с фотонами и атомами с атомами.

Картины интерференции, наблюдаемые при анализе частиц, полученных в этом эксперименте, можно было объяснить только запутывание неидентичных частиц — отрицательно заряженный пион с положительно заряженным пионом.

Хотя это далеко не теоретическая аномалия, это далеко не повседневное явление в лаборатории, составляющее первое экспериментальное наблюдение запутанности с участием разнородных частиц.

Проследив запутанные интерференционные картины в ядрах золота, физики смогли выявить двумерную портрет его распределение глюонов, что позволяет по-новому взглянуть на структуру ядерных частиц.

«Теперь мы можем сделать снимок, на котором мы действительно можем различить плотность глюонов под заданным углом и радиусом. », — говорит Бранденбург.

«Изображения настолько точны, что мы даже начинаем видеть разницу между расположением протонов и нейтронов внутри этих больших ядер».

Это исследование было опубликовано в журнале Science Advances.