22 фев 2023 552

Новая квантовая запутанность позволяет исследователям шпионить за атомными ядрами

Физики-ядерщики нашли способ заглянуть в самые глубокие тайники атомных ядер. Исследование показало, что различные типы частиц могут подвергаться квантовой интерференции.

Открытие стало возможным благодаря использованию Релятивистского коллайдера тяжелых ионов (RHIC) в Брукхейвенской национальной лаборатории в Нью-Йорке, который способен сталкивать ионы золота со скоростью, близкой к скорости света. Это привело к открытию нового вида квантовой запутанности.

Физики всего мира используют релятивистский коллайдер тяжелых ионов для изучения некоторых из самых основных и интригующих компонентов и явлений природы.

Термин квантовая запутанность описывает невидимую связь, соединяющую удаленные объекты; независимо от того, как далеко они находятся в космосе, они влияют друг на друга. Это означает, что если две частицы запутаны на квантовом уровне, измерив квантовое состояние одной из частиц, вы можете сразу узнать квантовое состояние другой, где бы она ни находилась. Например, используя аналогию с монетой, если одна частица выпадает «орлом», ученые мгновенно определяют, что другая частица выпадает «решкой», независимо от того, где во Вселенной она находится.

Физик-теоретик Альберт Эйнштейн однажды отклонил явление квантовой запутанности как «призрачное действие на расстоянии», но Даниэль Бранденбург, соавтор исследования и профессор физики в Университете штата Огайо, убежден, что ученым необходимо глубже изучить тему.

Запутанность — одна из определяющих характеристик, отличающая квантовую механику от той физики, которая обычно происходит вокруг нас. Изучение того, как фотоны и электроны взаимодействуют с материей и влияют на нее, квантовая механика является основой, на которой построены многие технологии, такие как квантовые вычисления и квантовая химия. Несмотря на эти достижения, ученые ранее считали, что только частицы одного вида способны к квантовой интерференции: фотоны могут интерферировать только с фотонами, а нейтроны — с нейтронами

— Даниэль Бранденбург.

Исследование, опубликованное в журнале Science Advances, описывает, как группа физиков под названием STAR Collaboration использовала RHIC для обнаружения формы квантовой запутанности, которая показывает, что частицы всех видов могут взаимодействовать друг с другом, что приводит к интерференции в различных схемах.

Мы впервые получили интерференцию различных типов частиц, хотя раньше люди думали, что в квантовой механике это невозможно

— Даниэль Бранденбург.

Используя коллайдер как большую цифровую 3D-камеру, исследователи использовали свет для отслеживания частиц, которые вырвались из центра машины после столкновения атомов, получая двухмерные изображения с высоким разрешением. Этот метод позволил исследователям составить карту расположения глюонов — клееподобных частиц, которые действуют как связующая сила для кварков, частиц внутри протонов и нейтронов внутри атомных ядер. В результате этих взаимодействий образовалась субатомная частица, называемая пионом, которую, измеряя скорость и углы падения света на коллайдер, исследователи смогли использовать как микроскоп, чтобы заглянуть внутрь атомных ядер так, как никогда раньше.

Играя в эти квантово-механические трюки, мы можем достичь точности, которая иначе была бы невозможна. Эта точность позволила нам увидеть внутри отдельного ядра золота, где находятся протоны и нейтроны

— Даниэль Бранденбург.

Новый результат был получен благодаря открытию, сделанному Бранденбургом около двух лет назад, названному процессом Брейта-Уилера, в котором подробно описывается, как свет может быть превращен в материю и антиматерию. Опираясь на физику этого открытия, команда смогла заглянуть внутрь ядра в масштабе от десятой до сотой доли размера отдельного протона. По словам Бранденбурга, результаты могут в конечном итоге помочь продвинуть исследования в нескольких областях, от квантовых вычислений до астрофизики.

Бранденбург, чей интерес к ядерной физике изначально зародился в астрономии, отметил, что, поскольку вся материя взаимосвязана, исследование внутренней работы атомных ядер может также позволить астрофизикам различать такие аспекты, как стабильность звезды, ее размер, плотность и даже то, как она образовалась.

Выполняя эту работу здесь, на Земле, мы помогаем лучше понять то, что находится далеко во Вселенной

— Даниэль Бранденбург.

В дальнейшем команда надеется расширить свою работу, картографируя глубины других типов квантовых объектов.