Un nouveau type d’intrication permet aux scientifiques de « voir » l’intérieur des noyaux

Les physiciens nucléaires ont trouvé une nouvelle façon d’utiliser le collisionneur d’ions lourds relativistes (RHIC) – un collisionneur de particules du laboratoire national de Brookhaven du Département américain de l’énergie (DOE) – pour voir la forme et les détails à l’intérieur des noyaux atomiques. La méthode repose sur des particules de lumière qui entourent les ions d’or lorsqu’ils se déplacent autour du collisionneur et sur un nouveau type d’intrication quantique jamais vu auparavant.

Grâce à une série de fluctuations quantiques, les particules de lumière (alias photons) interagissent avec les gluons, des particules ressemblant à de la colle qui maintiennent les quarks ensemble dans les protons et les neutrons des noyaux. Ces interactions produisent une particule intermédiaire qui se désintègre rapidement en deux « pions » chargés différemment (π). En mesurant la vitesse et les angles auxquels ces particules π+ et π- frappent le détecteur STAR du RHIC, les scientifiques peuvent revenir en arrière pour obtenir des informations cruciales sur le photon et les utiliser pour cartographier l’arrangement des gluons dans le noyau avec une plus grande précision que jamais avant que.

« Cette technique est similaire à la façon dont les médecins utilisent la tomographie par émission de positons (TEP) pour voir ce qui se passe à l’intérieur du cerveau et d’autres parties du corps », a déclaré l’ancien physicien du Brookhaven Lab, James Daniel Brandenburg, membre de la collaboration STAR qui a rejoint l’Ohio State. Université en tant que professeur adjoint en janvier 2023. « Mais dans ce cas, nous parlons de cartographier des fonctionnalités à l’échelle de femtomètres– des quadrillionièmes de mètre – la taille d’un proton individuel. »

Encore plus étonnant, selon les physiciens de STAR, est l’observation d’un tout nouveau type d’interférence quantique qui rend leurs mesures possibles.

« Nous mesurons deux particules sortantes et il est clair que leurs charges sont différentes – ce sont des particules différentes – mais nous voyons des modèles d’interférence qui indiquent que ces particules sont enchevêtrées ou synchronisées les unes avec les autres, même s’il s’agit de particules distinctes », a déclaré le physicien de Brookhaven et STAR. collaborateur Zhangbu Xu.

Cette découverte peut avoir des applications bien au-delà du noble objectif de cartographier les éléments constitutifs de la matière.

Par exemple, de nombreux scientifiques, y compris ceux récompensés le prix Nobel de physique 2022, cherchent à exploiter l’enchevêtrement – une sorte de « conscience » et d’interaction de particules physiquement séparées. L’un des objectifs est de créer des outils de communication et des ordinateurs nettement plus puissants que ceux qui existent aujourd’hui. Mais la plupart des autres observations d’intrication à ce jour, y compris une récente démonstration d’interférence de lasers de différentes longueurs d’onde, ont été faites entre des photons ou des électrons identiques.

« Il s’agit de la toute première observation expérimentale d’enchevêtrement entre des particules dissemblables », a déclaré Brandenburg.

Le travail est décrit dans un article qui vient d’être publié dans Avancées scientifiques.

Faire la lumière sur les gluons

Le RHIC fonctionne comme une installation utilisateur du DOE Office of Science où les physiciens peuvent étudier les éléments constitutifs les plus internes de la matière nucléaire, les quarks et les gluons qui composent les protons et les neutrons. Pour ce faire, ils écrasent les noyaux d’atomes lourds tels que l’or voyageant dans des directions opposées autour du collisionneur à une vitesse proche de la lumière. L’intensité de ces collisions entre noyaux (également appelés ions) peut « fondre » les frontières entre les protons et les neutrons individuels afin que les scientifiques puissent étudier les quarks et les gluons tels qu’ils existaient dans l’univers primitif, avant la formation des protons et des neutrons.

Mais les physiciens nucléaires veulent également savoir comment les quarks et les gluons se comportent dans les noyaux atomiques tels qu’ils existent aujourd’hui, afin de mieux comprendre la force qui maintient ces éléments constitutifs ensemble.

Une découverte récente utilisant des « nuages » de photons qui entourent les ions accélérés du RHIC suggère un moyen d’utiliser ces particules de lumière pour avoir un aperçu à l’intérieur des noyaux. Si deux ions d’or se croisent très près sans entrer en collision, les photons entourant un ion peuvent sonder la structure interne de l’autre.

« Dans ces travaux antérieurs, nous avons démontré que ces photons sont polarisés, leur champ électrique rayonnant vers l’extérieur à partir du centre de l’ion. Et maintenant, nous utilisons cet outil, la lumière polarisée, pour imager efficacement les noyaux à haute énergie », a déclaré Xu. .

L’interférence quantique observée entre le π+ et le π- dans les données nouvellement analysées permet de mesurer très précisément la direction de polarisation des photons. Cela permet à son tour aux physiciens d’examiner la distribution des gluons à la fois le long de la direction du mouvement du photon et perpendiculairement à celle-ci.

Cette imagerie bidimensionnelle s’avère très importante.

« Toutes les mesures passées, où nous ne connaissions pas la direction de polarisation, mesuraient la densité des gluons en moyenne, en fonction de la distance du centre du noyau », a déclaré Brandenburg. « C’est une image unidimensionnelle. »

Ces mesures ont toutes donné l’impression que le noyau était trop grand par rapport à ce qui avait été prédit par les modèles théoriques et les mesures de la distribution de la charge dans le noyau.

« Grâce à cette technique d’imagerie 2D, nous avons pu résoudre le mystère de 20 ans sur la raison pour laquelle cela se produit », a déclaré Brandenburg.

Les nouvelles mesures montrent que la quantité de mouvement et l’énergie des photons eux-mêmes se confondent avec celles des gluons. Mesurer juste le long de la direction du photon (ou ne pas savoir quelle est cette direction) donne une image déformée par ces effets de photon. Mais la mesure dans le sens transversal évite le brouillage des photons.

« Maintenant, nous pouvons prendre une photo où nous pouvons vraiment distinguer la densité de gluons à un angle donné et rayon », a déclaré Brandebourg. « Les images sont si précises que nous pouvons même commencer à voir la différence entre l’endroit où se trouvent les protons et l’endroit où les neutrons sont disposés à l’intérieur de ces gros noyaux. »

Les nouvelles images correspondent qualitativement aux prédictions théoriques utilisant la distribution des gluons, ainsi qu’aux mesures de la distribution de la charge électrique dans les noyaux, expliquent les scientifiques.

Détails des mesures

Pour comprendre comment les physiciens effectuent ces mesures 2D, revenons à la particule générée par l’interaction photon-gluon. C’est ce qu’on appelle un rho, et il se désintègre très rapidement – en moins de quatre septillionièmes d’une seconde – dans le π+ et π-. La somme des impulsions de ces deux pions donne aux physiciens l’impulsion de la particule rho parente et des informations qui incluent la distribution des gluons et l’effet de brouillage des photons.

Extraire juste la distribution des gluons, les scientifiques mesurent l’angle entre la trajectoire du π+ ou du π- et la trajectoire du rho. Plus cet angle est proche de 90 degrés, moins vous obtenez de flou de la sonde photonique. En suivant les pions provenant de particules rhô se déplaçant dans une gamme d’angles et d’énergies, les scientifiques peuvent cartographier la distribution des gluons dans l’ensemble du noyau.

Passons maintenant à l’étrangeté quantique qui rend les mesures possibles – la preuve que les particules π+ et π- frappant le détecteur STAR résultent de motifs d’interférence produits par l’enchevêtrement de ces deux particules dissemblables chargées de manière opposée.

Gardez à l’esprit que toutes les particules dont nous parlons existent non seulement en tant qu’objets physiques, mais également en tant qu’ondes. Comme des ondulations à la surface d’un étang rayonnant vers l’extérieur lorsqu’elles frappent un rocher, les « fonctions d’onde » mathématiques qui décrivent les crêtes et les creux des ondes de particules peuvent interférer pour se renforcer ou s’annuler les unes les autres.

Lorsque les photons entourant deux ions en vitesse de quasi-accident interagissent avec des gluons à l’intérieur des noyaux, c’est comme si ces interactions généraient en fait deux particules rho, une dans chaque noyau. Lorsque chaque rho se désintègre en π+ et π-, la fonction d’onde du pion négatif d’une désintégration rho interfère avec la fonction d’onde du pion négatif de l’autre. Lorsque la fonction d’onde renforcée frappe le détecteur STAR, le détecteur voit un π-. La même chose se produit avec les fonctions d’onde des deux pions chargés positivement, et le détecteur voit un π+.

« L’interférence se produit entre deux fonctions d’onde des particules identiques, mais sans l’enchevêtrement entre les deux particules dissemblables – le π+ et π – cette interférence ne se matérialiserait pas », a déclaré Wangmei Zha, un collaborateur STAR à l’Université des sciences et de la technologie. de Chine, et l’un des premiers partisans de cette explication. « C’est l’étrangeté de la mécanique quantique ! »

Les rhos pourraient-ils simplement être enchevêtrés? Les scientifiques disent non. Les fonctions d’onde des particules rho proviennent d’une distance 20 fois supérieure à la distance qu’elles pourraient parcourir au cours de leur courte durée de vie, de sorte qu’elles ne peuvent pas interagir les unes avec les autres avant de se désintégrer en π+ et π-. Mais les fonctions d’onde des π+ et π- de chaque désintégration rho conservent l’information quantique de leurs particules mères ; leurs crêtes et leurs creux sont en phase, « conscients l’un de l’autre », malgré la distance entre les mètres du détecteur.

« Si les π+ et π- n’étaient pas intriqués, les deux fonctions d’onde π+ (ou π-) auraient une phase aléatoire, sans aucun effet d’interférence détectable », a déclaré Chi Yang, un collaborateur STAR de l’Université du Shandong en Chine, qui a également aidé à diriger l’analyse de ce résultat. « Nous ne verrions aucune orientation liée à la polarisation des photons, ni ne pourrions effectuer ces mesures de précision. »

Mesures futures au RHIC avec des particules plus lourdes et des durées de vie différentes, et à un Collisionneur électron-ion (EIC) en cours de construction à Brookhaven—sondera des distributions plus détaillées des gluons à l’intérieur des noyaux et testera d’autres scénarios possibles d’interférence quantique.