Учёные из Брукхейвенской национальной лаборатории составили высокоточную карту положения элементарных частиц в ядре атома. Разработана на основе нового метода применения релятивистского коллайдера тяжёлых ионов (RHIC) и нового типа квантовой запутанности, не наблюдавшегося раньше.
Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов, которые, в свою очередь, состоят из кварков, связанных глюонами. Благодаря квантовым флуктуациям фотоны взаимодействуют с глюонами, создавая промежуточную частицу («ро»), которая немедленно распадается на два заряженных «пиона» (или пи-мезона), обозначенных как π+ и π-. Скорость и углы, под которыми эти частицы попадают в детектор STAR в RHIC, дают информацию о расположении глюонов в ядре.
«Этот метод функционирует подобно тому, как медики применяют позитронно-эмиссионную томографию для изучения работы мозга и других внутренних органов. — объясняет участник сотрудничества STAR Джеймс Дэниел Бранденбург. В отличие от других методов, мы создаём карты объектов с разрешением в фемтометрах (10 -15Ученые не только получили удивительно четкое представление об устройстве атомов, но и наблюдали новый вид связывания между пилюс- и пиминус-частицами.
Двухмерное изображение распределения глюонов
Релятивистский коллайдер тяжелых ионов (RHIC) — это ускоритель частиц, созданный для исследования столкновений тяжёлых ионов (медь, золото, уран и так далее) на релятивистских скоростях. В первую очередь его разрабатывали для изучения первоначальной формы материи, которая существовала в самом начале Вселенной, но он также может производить столкновения между протонами для изучения их структуры. Несколько детекторов, включая STAR, регистрируют результаты столкновений.
Чтобы исследовать простейшие частицы, учёные сближают тяжёлые ядерные составные части, направляемые навстречу друг другу. коллайдераСближаясь практически со скоростью света, частицы наносят настолько мощные удары, что слияние может происходить даже на уровне протона и нейтрона, показывая их составляющие: кварки и глюоны.
Физики-ядерщики стремятся понять, как кварки и глюоны взаимодействуют и формируют протоны и нейтроны в ядрах атомов.
Новая работа международного коллектива исследователей по изучению столкновений поляризованных фотонов предложила использовать эти частицы света для изучения внутренней структуры ядер. Мы доказали поляризацию этих фотонов, электрическое поле которых исходит из центра иона. Теперь применяем этот метод — поляризованный свет — для формирования точной картины высокоэнергетических ядер. — говорит Чжанбу Сюй, физик из Брукхейвенской лаборатории и участник коллаборации STAR.
Ученые не могли определить направление поляризации фотонов. Из-за этого измеренная плотность глюонов была средней, рассчитанной как функция расстояния от центра ядра. Квантовая интерференция между π+ и π- частицами позволяет очень точно измерить направление поляризации. Это дает возможность физикам изучать распределение глюонов в двух измерениях: вдоль направления движения фотона и перпендикулярно ему.
Первое столкновение различных частиц.
Предыдущие измерения создавали иллюзию: ядро выглядело больше, чем предсказывал теоретический расчет распределения зарядов. Новая двухмерная съемка разрешила эту загадку.
Выяснилось, что импульс и энергия фотонов сливаются с импульсом и энергией глюонов. Поэтому одномерные измерения всегда показывают искаженный результат из-за влияния фотонов.
Сумма импульсов двух пионов образует импульс их родительской частицы ро и включает информацию о распределении глюонов и эффекте интерференции фотонов. Чтобы определить распределение глюонов, измеряют угол между траекторией π+ или π- и траекторией частицы ро. Чем ближе угол к 90°, тем меньше действует эффект фотонов. Отслеживая пионы от частиц ро, движущихся под разными углами и с разной энергией, ученые составили карту распределения глюонов по всему ядру.
«Теперь доступно изображение, на котором можно различить плотность глюонов под конкретным углом и радиусом. Изображения настолько чёткие, что мы можем начать видеть разницу между местонахождением протонов и нейтронов в таких крупных ядрах. Бранденбург восхищается. Изображения лучше согласуются с теоретическими предположениями.
Это возможно лишь благодаря тому, что частицы π+ и π−, несмотря на разность заряда, взаимодействуют друг с другом. Это первый в истории эксперимент, показывающий запутанность разнородных частиц. «, — говорит физик.
При столкновении ионов без прямого контакта фотоны, окружающие ионы, взаимодействуют с глюонами. Эти взаимодействия порождают по одной ро-частице в каждом ядре. Распад каждой ро-частицы на π+ и π- приводит к интерференции отрицательных волновых функций пионов: одна из них принадлежит одному пиону, другая — другому. Усиленная волновая функция попадает в детектор STAR, который регистрирует π-. Аналогично происходит с волновыми функциями двух π+.
«Интерференция наблюдается при взаимодействии двух волновых функций идентичных частиц. При взаимодействии же различных частиц – например, пи-позитивных и пи-негативных – интерференции не происходит. — говорит Вангмей Чжа, сотрудник STAR из Университета науки и технологий Китая. Без запутанности частиц две волновые функции имели бы случайную фазу и не интерферировали бы. Это помешало бы исследователям определить направление поляризации фотонов и провести измерения.
Эксперименты на RHIC, а также на сооружаемом электрон-ионном коллайдере дадут возможность более подробно исследовать распределение глюонов в ядрах атомов и проверить альтернативные модели квантовой интерференции.