Sciencemag.cz
Doporučujeme
Experimenty zřejmě vyřešily problém s velikostí atomových jader.
V Brookhavenské národní laboratoři vědci sledovali, jak prostřednictvím série kvantových fluktuací interagují fotony a gluony (částice silné síly, které drží pohromadě kvarky v protonech a neutronech). Při těchto interakcích vzniká jako meziprodukt nestabilní částice, která se rychle rozpadá na dva různě nabité piony (mezony π). Měřením rychlosti a úhlů, pod kterými pak piony π+ a π- dopadají na detektor RHIC STAR, mohou vědci zpětně získat zásadní informace o původním fotonu – a ty pak využít ke zmapování uspořádání gluonů v atomovém jádře, a to s větší přesností než kdykoli předtím. Jinak řečeno, urychlovač/srážeč těžkých iontů Relativistic Heavy Ion Collider tak může „zpětně vidět“ do nitra atomových jader.
Technika má v principu připomínat třeba magnetickou rezonanci, tedy s tím rozdílem, že „kamera“ má v tomto případě rozlišení až pod femtometry (10 na -15 metru, biliardtina; femtometr je cca průměr atomového jádra).
Průvodní tisková zpráva experiment dále popisuje tak, že rychle se pohybující ionty v urychlovači (zde zlato) jsou obklopeny fotony. Pokud se dva ionty zlata míjely velmi těsně, aniž by se přitom ale srazily, mohly fotony obklopující jeden iont prozkoumat vnitřní strukturu jádra druhého atomu.
Ještě zajímavější na celé metodě je ale to, že využívá dosud nepozorovaného typu kvantového provázání (entanglement). Na rozdíl od provázaných elektronů nebo fotonů se tento entanglement týká různých částic – různě nabitých pionů. Přesto ale u částic vystupujících z reakce můžeme na detektoru pozorovat interferenční vzory. „Jde o vůbec první experimentální pozorování provázanosti mezi různými částicemi,“ uvádí spoluautor studie James Daniel Brandenburg (dříve Brookhaven Laboratory, nyní spolupracovník projektu STAR z Ohio State University).
Kvantová interference pozorovaná mezi piony π+ a π- umožňuje pak velmi přesně zjistit směr polarizace fotonů. Následně pak lze odvodit rozložení gluonů jak podél směru pohybu fotonu, tak kolmo na něj (tj. dvourozměrně).
Co se dalších podrobností týče, průvodní tisková zpráva je popisuje následujícím způsobem. Interakcí fotonu a gluonu vznikají nestabilní částice označované jako rho. Ty se rozpadají v řádu 10 na -24 s na na π+ a π-. Když fotony obklopující dva těsně se míjející ionty ionty interagují s gluony uvnitř jader, je to, jako by tyto interakce ve skutečnosti vytvářely dvě částice rho, v každém jádře jednu. Když se obě částice rho rozpadají na π+ a π-, vlnová funkce záporného pionu z jednoho rozpadu rho interferuje s vlnovou funkcí záporného pionu z druhého rozpadu. Poté zesílená vlnová funkce narazí na detektor STAR a detektor zaznamená jeden pion π-. Totéž se stane s vlnovými funkcemi dvou kladně nabitých pionů a detektor zaznamená jeden pion π+.
„Interference probíhá mezi dvěma vlnovými funkcemi identických částic, ale bez provázanosti mezi dvěma rozdílnými částicemi π+ a π by se tato interference neprojevila,“ uvádí další ze spolupracovníku projektu STAR Wangmei Zha z University of Science and Technology of China. Kdyby π+ a π- nebyly provázané, obě vlnové funkce π+ (nebo π-) by měly náhodnou fázi bez jakéhokoli detekovatelného interferenčního efektu, dodávají vědci. Přitom se nejedná o popletení identických částic (původních) rho. Ty vznikají ve vzdálenosti dvacetkrát větší, než jakou mohou urazit během svého krátkého života, takže na sebe nemohou vzájemně působit dříve, než se rozpadnou na π+ a π-. Naproti tomu vlnové funkce π+ a π- z každého rozpadu rho si zachovávají kvantovou informaci svých mateřských částic…
James Brandenburg, Tomography of ultra-relativistic nuclei with polarized photon-gluon collisions, Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.abq3903. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq3903
Zdroj: Brookhaven National Laboratory / Phys.org
Poznámka PH: Je to samozřejmě celé dost zapletené, jak jinak. A to ještě převyprávění výše pomíjí samotný pokrok v zobrazování jádra, nyní je zobrazení dvourozměrné, starší metody jen jednorozměrné; starší měření pak vycházela tak, že jádro vypadalo příliš velké ve srovnání s tím, co předpovídaly teoretické modely a měření rozložení náboje v jádře. Tento problém snad nové měření vyřešilo. Atd.
