Kormányzati tudósok teljesen új kvantum-összefonódást fedeztek fel

A Brookhaven Nemzeti Laboratórium tudósai egy teljesen újfajta kvantum-összefonódást fedeztek fel, amely jelenség a részecskék furcsa összek...

Egy újonnan észlelt hatás átlátszóvá teszi az atomokat bizonyos fényfrekvenciák számára

A fizikusok hihetetlen "kvantumtornádókat" figyeltek meg, amelyek ultrahideg atomokból alakultak ki

A kutatók soha ilyen nagyításban nem láthatták még az atomokat, amit egy új technika segítségével most már megtehetnek

A Brookhaven Nemzeti Laboratórium tudósai egy teljesen újfajta kvantum-összefonódást fedeztek fel, amely jelenség a részecskék furcsa összekapcsolódását okozza még hatalmas kozmikus távolságokon is - számol be róla egy új tanulmány.

A felfedezés lehetővé tette számukra, hogy példátlan bepillantást kapjanak az atomokban, az anyag apró építőköveiben rejlő bizarr világba.

Az észbontó kutatás egy régóta fennálló rejtélyt old meg az atommagokkal kapcsolatban, amelyek protonoknak és neutronoknak nevezett részecskéket tartalmaznak, és segíthet megvilágítani a kvantumszámítástól az asztrofizikáig terjedő témákat.

Az izgalmas felfedezések a Relativistic Heavy Ion Colliderben (RHIC) történtek, amely egy speciális létesítmény a New York-i Brookhavenben, amely szinte fénysebességre képes felgyorsítani az ionként ismert töltött atomokat. Amikor ezek az ionok összeütköznek - vagy akár csak elhaladnak egymás közelében - kölcsönhatásaik felfedik az atomok belső működését, amelyeket a kvantummechanika törvényei szabályoznak.

Mindenféle rejtélyes dolog előfordul ebben az apró birodalomban, de különösen a kvantum-összefonódás furcsa, amit Albert Einstein "kísérteties távolhatásnak" nevezett. Ez a jelenség akkor fordul elő, amikor a részecskék összefonódnak egymással, ami a tulajdonságaikat (például a forgást vagy impulzust) szinkronizálja, még akkor is, ha több milliárd fényév távolságra vannak egymástól.

A kvantum-összefonódást számtalanszor kimutatták laboratóriumokban, de az összefonódott részecskék mindig ugyanabba a csoportba tartoztak, és ugyanazt a töltést mutatták, például a fotonok, melyeknek nincs töltésük, vagy elektronok, amelyek negatív töltésűek.

A brookhaveni tudósok most először rögzítettek olyan interferencia-mintákat, amelyek két különböző töltésű részecske összefonódásából jönnek létre. Ez az áttörés teljesen új ablakot nyitott az univerzum látható anyagát alkotó atomok rejtélyes belsejébe, a Science Advances című folyóiratban szerdán megjelent tanulmány szerint. (1)

"A múltban soha nem mértek interferenciát a megkülönböztethető részecskék között," - mondta Daniel Brandenburg, az Ohio Állami Egyetem fizikaprofesszora, az új tanulmány társszerzője. "Ez a felfedezés; az alkalmazás az, hogy használhatjuk magfizika elvégzésére."

"Bizonyos értelemben nem is próbáltam valami alapvető dolgot találni a kvantummechanikában," - folytatta. "Amikor rájöttünk, hogy valami igazán érdekes történik itt, az nagyon nagy meglepetés volt számomra."

Brandenburg és munkatársai ezt a mérföldkövet a RHIC Solenoidal Tracker (vagy STAR) nevű érzékeny detektor segítségével érték el, amely a fénysebesség határáig gyorsuló aranyionok közötti kölcsönhatásokat rögzítette. Fotonfelhők, amelyek fényt hordozó részecskék, körülveszik az ionokat, és kölcsönhatásba lépnek egy másik típusú részecskével, az úgynevezett gluonokkal, amelyek összetartják az atommagokat.

A fotonok és a gluonok közötti találkozások olyan események láncolatát indították el, amelyek végül két új részecskét, úgynevezett pionokat hoztak létre, amelyek ellentétes töltésekkel rendelkeznek - egy pozitív és egy negatív. Amikor ezek a pionok behatoltak a STAR detektorba, a precíziós műszer megmérte néhány kulcsfontosságú tulajdonságukat, például a becsapódási sebességet és a becsapódási szöget, amelyeket azután az atommagok belsejében lévő gluonok méretének, alakjának és elrendezésének vizsgálatára használtak olyan pontossággal, amit még soha nem sikerült elérni.

"Olyan ez, mint egy mikroszkóp, abban az értelemben, hogy egy foton segítségével nézünk valamit,"-– magyarázta Brandenburg. "Ebben az esetben nagyon nagy energiájú fotonokat használunk, ahol a hullámhosszuk elég rövid ahhoz, hogy ténylegesen megnézhessük az atom belsejét."

A tudósok már korábban is leképezték az atommagokat alacsonyabb energiákkal, de ezeknek a struktúráknak a nagy energiájú szondázására tett kísérletek mindig rejtélyes eredményt hoztak. Ezekben a kísérletekben a magok sokkal nagyobbnak tűntek, mint kellene a modellek szerint, ami évtizedek óta zavarba ejti a tudósokat.

A STAR együttműködés most megoldotta ezt a rejtélyt egy olyan elmosódási hatás pontos meghatározásával, amely a kísérlet fotonjaihoz kapcsolódik. A korábbi tanulmányok lényegében olyan egydimenziós pillantásokat vetettek a magokra, amelyek nem vették figyelembe a fotonok fontos mintázatait, például a polarizációs irányukat. Az új tanulmány tartalmazta ezeket a polarizációs információkat, lehetővé téve, hogy Brandenburg és munkatársai két szögből, a foton mozgásával párhuzamosan és merőlegesen vizsgálják meg az atommagokat, és olyan kétdimenziós képet kapjanak, amely megfelel az elméleti előrejelzéseknek.

Sőt, a csapat még a kulcsfontosságú részecskék, például a protonok és neutronok durva helyzetét is meg tudja határozni az atommagban, valamint a gluonok eloszlását. Tovább új módot kínál az atomok nagy energiájú viselkedésével kapcsolatos állandó rejtélyek megfejtésére is.

"Ahogy egyre mélyebbre tekintünk az atommag belsejében, a mag azon részei felé, amelyeknek egyre kevesebb energiája van, ezek nagyon fontosak az atommag összetartásában, de valójában nem tudunk sokat a magnak erről a részéről," - mondta Brandenburg. "Tehát ahogy egyre magasabb és magasabb energiák felé haladsz, valójában nem tudod, hogyan néz ki."

"Ez az oka annak, hogy több, nagyobb pontosságú mérés alkalmas arra, hogy valóban meghatározzuk ezt az energiafüggőséget, és azt, hogy mit csinál az atommag szíve ezeken a különböző skálákon," - tette hozzá.

Addig Brandenburg azt reméli, hogy megismételheti ezt a technikát és változatait az RHIC-ben és más létesítményekben, mint például a Nagy Hadronütköztetőben, hogy feltárja az atommagok régóta rejtőzködő részleteit.

Ha nagy energiájú atomokat nézünk, az segíthet a tudósoknak megoldani a tudomány legrégebbi problémáit, beleértve azt a nagy rejtélyt is, hogy a kvantumvilág hogyan élhet együtt a mi valóságunkkal, amelyet a klasszikus fizika sokkal ismertebb szabályai határoznak meg. Gyakorlati alkalmazásai is vannak, különösen a kvantumszámítás, egy olyan technológia esetében, amely a kvantumvilág furcsa szabályait alkalmazva forradalmasítani kívánja a számítástechnikát.

"Ha különböző atommagokat nézünk, és ezt a folyamatot nagyobb pontossággal vizsgáljuk, egyre több részletet ismerhetünk meg," - zárta Brandenburg. "Amit itt tettünk, az a koncepció bizonyítása, de sokkal több lehetőség van." (2)

(1) - https://www.science.org/doi/10.1126/
(2) - https://www.vice.com/en/article/88qj