Neue Art der Verschränkung lässt Wissenschaftler in Kerne „sehen“.

Kernphysiker haben einen neuen Weg gefunden, den Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) – einen Teilchenbeschleuniger am Brookhaven National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) – zu verwenden, um die Form und Details im Inneren von Atomkernen zu sehen. Die Methode beruht auf Lichtpartikeln, die Goldionen umgeben, während sie um den Collider rasen, und auf eine neue Art von Quantenverschränkung, die noch nie zuvor gesehen wurde.

Durch eine Reihe von Quantenfluktuationen interagieren die Lichtteilchen (auch bekannt als Photonen) mit Gluonen – klebstoffähnlichen Teilchen, die Quarks innerhalb der Protonen und Neutronen von Kernen zusammenhalten. Diese Wechselwirkungen erzeugen ein Zwischenteilchen, das schnell in zwei unterschiedlich geladene „Pionen“ (π) zerfällt. Durch die Messung der Geschwindigkeit und der Winkel, mit denen diese π+- und π–Partikel auf den STAR-Detektor von RHIC treffen, können die Wissenschaftler zurückgehen, um wichtige Informationen über das Photon zu erhalten – und diese verwenden, um die Anordnung der Gluonen innerhalb des Kerns mit höherer Präzision als je zuvor zu kartieren Vor.

„Diese Technik ähnelt der Art und Weise, wie Ärzte die Positronen-Emissions-Tomographie (PET-Scans) verwenden, um zu sehen, was im Gehirn und in anderen Körperteilen passiert“, sagte der ehemalige Brookhaven Lab-Physiker James Daniel Brandenburg, ein Mitglied der STAR-Kollaboration, das dem Bundesstaat Ohio beigetreten ist Universität als Assistenzprofessor im Januar 2023. „Aber in diesem Fall sprechen wir über die Abbildung von Merkmalen im Maßstab von Femtometer– Billiardstel Meter – die Größe eines einzelnen Protons.“

Noch erstaunlicher, sagen die STAR-Physiker, ist die Beobachtung einer völlig neuen Art von Quanteninterferenz, die ihre Messungen ermöglicht.

„Wir messen zwei ausgehende Teilchen und ihre Ladungen sind eindeutig unterschiedlich – es sind unterschiedliche Teilchen – aber wir sehen Interferenzmuster, die darauf hindeuten, dass diese Teilchen verschränkt oder miteinander synchronisiert sind, obwohl es sich um unterscheidbare Teilchen handelt“, sagte der Physiker von Brookhaven und STAR Mitarbeiter Zhangbu Xu.

Diese Entdeckung könnte Anwendungen haben, die weit über das hochgesteckte Ziel hinausgehen, die Bausteine ​​der Materie zu kartieren.

Zum Beispiel viele Wissenschaftler, auch solche, die ausgezeichnet wurden den Nobelpreis für Physik 2022, versuchen, sich Verschränkung zunutze zu machen – eine Art „Bewusstsein“ und Interaktion physikalisch getrennter Teilchen. Ein Ziel ist es, wesentlich leistungsfähigere Kommunikationswerkzeuge und Computer zu schaffen, als sie heute existieren. Aber die meisten anderen bisherigen Beobachtungen der Verschränkung, einschließlich einer kürzlichen Demonstration der Interferenz von Lasern mit unterschiedlichen Wellenlängen, fanden zwischen Photonen oder identischen Elektronen statt.

„Dies ist die allererste experimentelle Beobachtung der Verschränkung zwischen unähnlichen Teilchen“, sagte Brandenburg.

Die Arbeit ist in einem soeben erschienenen Artikel beschrieben Wissenschaftliche Fortschritte.

Gluonen ins Licht rücken

RHIC fungiert als Benutzereinrichtung des DOE Office of Science, in der Physiker die innersten Bausteine ​​der Kernmaterie untersuchen können – die Quarks und Gluonen, aus denen Protonen und Neutronen bestehen. Sie tun dies, indem sie die Kerne schwerer Atome wie Gold zerschmettern, die sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit in entgegengesetzte Richtungen um den Collider bewegen. Die Intensität dieser Kollisionen zwischen Kernen (auch Ionen genannt) kann die Grenzen zwischen einzelnen Protonen und Neutronen „schmelzen“, sodass Wissenschaftler die Quarks und Gluonen untersuchen können, wie sie im sehr frühen Universum existierten – bevor Protonen und Neutronen entstanden.

Kernphysiker wollen aber auch wissen, wie sich Quarks und Gluonen in heutigen Atomkernen verhalten – um besser zu verstehen, welche Kraft diese Bausteine ​​zusammenhält.

Eine kürzliche Entdeckung unter Verwendung von „Wolken“ aus Photonen, die die schnellen Ionen von RHIC umgeben, legt einen Weg nahe, diese Lichtpartikel zu nutzen, um einen Blick in die Kerne zu werfen. Wenn zwei Goldionen sehr nah aneinander vorbeikommen, ohne zu kollidieren, können die Photonen, die das eine Ion umgeben, die innere Struktur des anderen untersuchen.

„In dieser früheren Arbeit haben wir gezeigt, dass diese Photonen polarisiert sind, wobei ihr elektrisches Feld vom Zentrum des Ions nach außen strahlt. Und jetzt verwenden wir dieses Werkzeug, das polarisierte Licht, um die Kerne bei hoher Energie effektiv abzubilden“, sagte Xu .

Die beobachtete Quanteninterferenz zwischen π+ und π- in den neu analysierten Daten ermöglicht es, die Polarisationsrichtung der Photonen sehr genau zu messen. Das wiederum ermöglicht es Physikern, die Gluonenverteilung sowohl entlang der Bewegungsrichtung des Photons als auch senkrecht dazu zu betrachten.

Diese zweidimensionale Abbildung erweist sich als sehr wichtig.

„Alle bisherigen Messungen, bei denen wir die Polarisationsrichtung nicht kannten, haben die Dichte von Gluonen im Mittel gemessen – als Funktion der Entfernung vom Zentrum des Kerns“, sagt Brandenburg. „Das ist ein eindimensionales Bild.“

Diese Messungen ergaben alle, dass der Kern zu groß aussah, verglichen mit dem, was durch theoretische Modelle und Messungen der Ladungsverteilung im Kern vorhergesagt wurde.

„Mit diesem 2D-Bildgebungsverfahren konnten wir das 20-jährige Rätsel lösen, warum dies passiert“, sagte Brandenburg.

Die neuen Messungen zeigen, dass der Impuls und die Energie der Photonen selbst mit denen der Gluonen verflochten werden. Wenn Sie nur entlang der Richtung des Photons messen (oder diese Richtung nicht kennen), wird das Bild durch diese Photoneneffekte verzerrt. Aber das Messen in Querrichtung vermeidet die Photonenunschärfe.

„Jetzt können wir ein Bild machen, auf dem wir die Dichte von Gluonen in einem bestimmten Winkel wirklich unterscheiden können und Radius“, sagte Brandenburg. „Die Bilder sind so präzise, ​​dass wir sogar anfangen können, den Unterschied zwischen der Anordnung der Protonen und der Anordnung der Neutronen in diesen großen Kernen zu erkennen.“

Die neuen Bilder stimmen qualitativ mit den theoretischen Vorhersagen über die Gluonenverteilung sowie mit den Messungen der elektrischen Ladungsverteilung innerhalb der Kerne überein, sagen die Wissenschaftler.

Details zu den Messungen

Um zu verstehen, wie die Physiker diese 2D-Messungen durchführen, gehen wir zurück zu dem Teilchen, das durch die Photon-Gluon-Wechselwirkung erzeugt wird. Es wird Rho genannt und zerfällt sehr schnell – in weniger als vier Septillionstel einer Sekunde – in die π+ und π-. Die Summe der Impulse dieser beiden Pionen gibt Physikern den Impuls des übergeordneten Rho-Teilchens – und Informationen, die die Gluonenverteilung und den Photonenunschärfeeffekt beinhalten.

Extrahieren Nur Bei der Gluonenverteilung messen die Wissenschaftler den Winkel zwischen der Bahn von entweder π+ oder π- und der Flugbahn des Rho. Je näher dieser Winkel bei 90 Grad liegt, desto weniger Unschärfe erhalten Sie von der Photonensonde. Durch die Verfolgung von Pionen, die von Rho-Partikeln stammen, die sich in einer Reihe von Winkeln und Energien bewegen, können die Wissenschaftler die Gluonenverteilung über den gesamten Kern kartieren.

Nun zu der Quantenskurrilität, die die Messungen ermöglicht – der Beweis, dass die π+- und π–Teilchen, die auf den STAR-Detektor treffen, aus Interferenzmustern resultieren, die durch die Verschränkung dieser zwei unterschiedlichen, entgegengesetzt geladenen Teilchen erzeugt werden.

Denken Sie daran, dass alle Teilchen, über die wir sprechen, nicht nur als physikalische Objekte, sondern auch als Wellen existieren. Wie Wellen auf der Oberfläche eines Teiches, die nach außen strahlen, wenn sie auf einen Felsen treffen, können die mathematischen „Wellenfunktionen“, die die Kämme und Täler von Teilchenwellen beschreiben, interferieren, um sich gegenseitig zu verstärken oder aufzuheben.

Wenn die Photonen, die zwei fast verfehlende Ionen umgeben, mit Gluonen in den Kernen interagieren, ist es, als ob diese Wechselwirkungen tatsächlich zwei Rho-Partikel erzeugen, eines in jedem Kern. Wenn jedes Rho in ein π+ und π- zerfällt, interferiert die Wellenfunktion des negativen Pions von einem Rho-Zerfall mit der Wellenfunktion des negativen Pions von dem anderen. Wenn die verstärkte Wellenfunktion auf den STAR-Detektor trifft, sieht der Detektor ein π-. Dasselbe passiert mit den Wellenfunktionen der beiden positiv geladenen Pionen, und der Detektor sieht ein π+.

„Die Interferenz findet zwischen zwei Wellenfunktionen der identischen Teilchen statt, aber ohne die Verschränkung zwischen den beiden unähnlichen Teilchen – π+ und π- – würde diese Interferenz nicht zustande kommen“, sagte Wangmei Zha, ein STAR-Mitarbeiter an der University of Science and Technology von China und einer der ursprünglichen Befürworter dieser Erklärung. „Das ist die Verrücktheit der Quantenmechanik!“

Könnte sich das Rhos einfach verheddern? Die Wissenschaftler sagen nein. Die Rho-Teilchenwellenfunktionen haben ihren Ursprung in einer Entfernung, die das 20-fache der Entfernung beträgt, die sie in ihrer kurzen Lebensdauer zurücklegen könnten, sodass sie nicht miteinander interagieren können, bevor sie auf π+ und π- zerfallen. Aber die Wellenfunktionen von π+ und π- von jedem Rho-Zerfall behalten die Quanteninformation ihrer Elternteilchen; ihre Gipfel und Täler sind in Phase, „bewusst voneinander“, obwohl sie den Detektor meterweit voneinander entfernt treffen.

„Wenn π+ und π- nicht verschränkt wären, hätten die beiden π+ (oder π-) Wellenfunktionen eine zufällige Phase ohne erkennbaren Interferenzeffekt“, sagte Chi Yang, ein STAR-Mitarbeiter von der Shandong University in China, der ebenfalls half bei der Analyse dieses Ergebnisses. „Wir würden keine Orientierung im Zusammenhang mit der Photonenpolarisation sehen – oder diese Präzisionsmessungen durchführen können.“

Zukünftige Messungen am RHIC mit schwereren Teilchen und unterschiedlichen Lebensdauern – und bei einem Elektronen-Ionen-Collider (EIC), das in Brookhaven gebaut wird, wird detailliertere Verteilungen von Gluonen innerhalb von Kernen untersuchen und andere mögliche Quanteninterferenzszenarien testen.