Исследователи смогли «заглянуть» внутрь атомных ядер с помощью нового типа квантовой запутанности

Физики из Брукхейвенской национальной лаборатории объявили, что им удалось с высокой точностью составить карту расположения элементарных частиц в ядре атомного ядра. Их работа основана на новом способе использования релятивистского коллайдера тяжелых ионов (RHIC) и на новом типе квантовой запутанности, ранее не встречавшемся.

Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов, которые в свою очередь состоят из элементарных частиц, кварков, связанных между собой глюонами. Через серию квантовых флуктуаций фотоны взаимодействуют с глюонами, создавая промежуточную частицу («ро»), которая немедленно распадается на два заряженных «пиона» (или пи-мезона), отмеченных как π+ и π-. Скорость и углы, под которыми эти π+ и π- частицы попадают в детектор STAR в RHIC, дают информацию, которая позволяет очень точно отобразить расположение глюонов в ядре.

«Эта техника похожа на то, как врачи используют позитронно-эмиссионную томографию (ПЭТ), чтобы увидеть, что происходит внутри мозга и других частей тела«, — объясняет член коллаборации STAR Джеймс Дэниел Бранденбург. Разница в том, что мы картографируем объекты в масштабе фемтометров (10^-15 метров)! Исследователи не только получили исключительное представление о внутреннем строении атомов, но и стали свидетелями совершенно нового типа запутывания между π+ и π- частицами.

Двухмерное изображение распределения глюонов

RHIC (Релятивистский коллайдер тяжелых ионов) — это ускоритель частиц, предназначенный для изучения столкновений между тяжелыми ионами (медь, золото, уран и т.д.) на релятивистских скоростях. В первую очередь он был разработан для изучения первозданной формы материи (той, что существовала в самом начале существования Вселенной), но он также может производить столкновения между протонами для изучения их структуры. Несколько различных детекторов, включая STAR, могут регистрировать результаты столкновений.

Для изучения элементарных частиц ученые сталкивают тяжелые атомные ядра, движущиеся в противоположных направлениях вокруг коллайдера почти со скоростью света. Интенсивность столкновений такова, что они могут «расплавить» границы между отдельными протонами и нейтронами, обнажив их элементарные компоненты: кварки и глюоны.

Но физики-ядерщики также хотят знать, как кварки и глюоны ведут себя и организуются внутри атомных ядер, образуя протоны и нейтроны.

Недавняя работа коллаборации STAR по изучению столкновений поляризованных фотонов предложила способ использования этих частиц света для получения представления о внутреннем строении ядер. «Мы показали, что эти фотоны поляризованы, их электрическое поле излучается наружу из центра иона. И теперь мы используем этот инструмент — поляризованный свет — для получения эффективной картины высокоэнергетических ядер«, — объясняет Чжанбу Сюй, физик из Брукхейвенской лаборатории и член коллаборации STAR.

До сих пор у ученых не было возможности узнать направление поляризации фотонов. Поэтому измеренная плотность глюонов была средней, рассчитанной как функция расстояния от центра ядра. Но квантовая интерференция, наблюдаемая между π+ и π- частицами, позволяет очень точно измерить направление поляризации. Это позволяет физикам исследовать распределение глюонов в двух измерениях: вдоль направления движения фотона, а также перпендикулярно ему.

Первая запутанность между разнородными частицами

Если прежние измерения создавали впечатление, что ядро слишком велико по сравнению с тем, что предсказывали теоретические модели и измерения распределения зарядов в ядре, то новая двухмерная съемка пролила свет на эту загадку. Оказывается, что импульс и энергия самих фотонов сливаются с импульсом и энергией глюонов. Таким образом, одномерное измерение обязательно дает результат, искаженный эффектом фотонов.

В частности, сумма импульсов двух пионов дает импульс их родительской частицы ро, а также другую информацию, включающую распределение глюонов и эффект интерференции фотонов. Чтобы определить распределение глюонов, ученые измеряют угол между траекторией π+ или π- и траекторией частицы ро. Чем ближе этот угол к 90°, тем меньше действует фотонный эффект. Отслеживая пионы от частиц ро, движущихся под разными углами и с разными энергиями, ученые смогли составить карту распределения глюонов по всему ядру.

«Теперь мы можем получить изображение, на котором действительно можно различить плотность глюонов под определенным углом и радиусом. Изображения настолько четкие, что мы даже можем начать видеть разницу между тем, где находятся протоны и где расположены нейтроны в этих больших ядрах«, — восторгается Бранденбург. И, конечно, эти изображения больше соответствуют теоретическим предсказаниям.

Но это возможно только потому, что частицы π+ и π-, хотя и имеют разный заряд, переплетаются. «Это первое в истории экспериментальное наблюдение запутывания между разнородными частицами«, — говорит физик.

Когда два иона сталкиваются друг с другом без столкновения, окружающие их фотоны взаимодействуют с глюонами: эти взаимодействия как будто порождают две ро-частицы (по одной в каждом ядре). Поскольку каждая ро-частица распадается на π+ и π-, отрицательная волновая функция одного пиона интерферирует с отрицательной волновой функцией другого пиона. Когда полученная усиленная волновая функция попадает в детектор STAR, он видит π-. То же самое происходит с волновыми функциями двух π+.

«Интерференция возникает между двумя волновыми функциями одинаковых частиц, но без запутывания между двумя разнородными частицами — π+ и π- — эта интерференция не возникла бы«, — объясняет Вангмей Чжа, сотрудник STAR из Университета науки и технологий Китая. Если бы две частицы не были запутаны, две волновые функции имели бы случайную фазу и не интерферировали, поэтому исследователи не смогли бы определить направление поляризации фотонов и, следовательно, не смогли бы провести измерения.

Будущие эксперименты на RHIC, а также на строящемся электрон-ионном коллайдере позволят более детально изучить распределение глюонов внутри атомных ядер и проверить другие возможные сценарии квантовой интерференции.