Таинственный квантовый феномен позволил ученым заглянуть в сердце атома
Используя мощный релятивистский коллайдер тяжелых ионов (RHIC) в Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США, ученые показали, как можно получить точные сведения о расположении протонов и нейтронов золота, используя вид квантовой интерференции, никогда ранее не наблюдавшийся в эксперименте.
Квантовый феномен
«Этот метод похож на то, как врачи используют позитронно-эмиссионную томографию (ПЭТ-сканирование), чтобы увидеть, что происходит внутри мозга и других частей тела», - говорит физик Джеймс Дэниел Бранденбург, бывший исследователь Брукхейвенской национальной лаборатории.
В терминах учебников анатомию протона можно описать как три фундаментальных строительных блока, называемых кварками, связанных вместе глюоном — частицей, обеспечивающей обменные взаимодействия. Если бы мы увеличили масштаб и понаблюдали за этим сотрудничеством воочию, то не увидели бы ничего такого. Частицы и античастицы появляются и исчезают в бурлящей пене статистического безумия, в которой правила распределения частиц далеки от последовательности.
Наложение ограничений на движения и импульсы кварков и глюонов требует ухищрений, но твердые доказательства — это то, чего действительно хотят физики. К сожалению, простое освещение протона светом не приведет к получению моментального снимка его «движущихся частей». Фотоны и глюоны играют по совершенно разным правилам, а значит, они фактически невидимы друг для друга.
Однако здесь есть лазейка. Насыщенные достаточной энергией, волны света могут иногда создавать пары очень нестабильных частиц, которые затем исчезают. Эти пары состоят из положительного пиона, состоящего из верхнего кварка и нижнего антикварка, и отрицательного пиона, состоящего из нижнего кварка и верхнего антикварка.
Пару лет назад исследователи из RHIC обнаружили, что можно использовать электромагнитные поля, окружающие атомы золота, движущиеся с высокой скоростью, в качестве источника фотонов. Когда два атома золота едва избегают столкновения, они начинают вращаться в коллайдере в противоположных направлениях, а фотоны света, проходящие через каждое ядро, могут породить пары заряженных пионов.
Физики измерили количество пионов, выброшенных из пролетающих ядер золота, и показали, что они действительно имеют противоположные заряды. Анализ волнообразных свойств потока частиц показал признаки интерференции, которые можно было проследить до поляризации света. А этот факт — намек на гораздо более таинственные процессы, которые физики даже не ожидали увидеть.
Благодаря обнаруженным физикам явлениям, мы теперь сможем лучше понять, что происходит внутри частиц, составляющих ядра атома.