과학자들이 핵 내부를 볼 수 있게 해주는 새로운 유형의 얽힘

핵물리학자들은 미국 에너지부(DOE) Brookhaven 국립 연구소의 입자 충돌기인 상대론적 중이온 충돌기(RHIC)를 사용하여 원자핵 내부의 모양과 세부 사항을 보는 새로운 방법을 발견했습니다. 이 방법은 충돌체 주변에서 속도를 낼 때 금 이온을 둘러싸는 빛 입자와 이전에는 볼 수 없었던 새로운 유형의 양자 얽힘에 의존합니다.

일련의 양자 변동을 통해 빛의 입자(일명 광자)는 핵의 양성자와 중성자 내에서 쿼크를 함께 고정하는 접착제 같은 입자인 글루온과 상호 작용합니다. 이러한 상호 작용은 두 개의 서로 다른 전하를 띤 “파이온”(π)으로 빠르게 붕괴하는 중간 입자를 생성합니다. 이 π가 도달하는 속도와 각도를 측정함으로써⁺ 그리고 π^– 입자가 RHIC의 STAR 검출기를 공격하면 과학자들은 역추적하여 광자에 대한 중요한 정보를 얻을 수 있습니다.

“이 기술은 의사가 양전자 방출 단층 촬영(PET 스캔)을 사용하여 뇌와 다른 신체 부위에서 무슨 일이 일어나고 있는지 확인하는 방식과 유사합니다.”라고 오하이오 주립대에 합류한 STAR 협력 회원인 전 Brookhaven Lab 물리학자 James Daniel Brandenburg는 말했습니다. 2023년 1월에 조교수로 대학. “하지만 이 경우 우리는 펨토미터 — 1000조분의 1미터 — 개별 양성자 크기.”

STAR 물리학자들은 훨씬 더 놀라운 것은 그들의 측정을 가능하게 하는 완전히 새로운 종류의 양자 간섭을 관찰한 것이라고 말합니다.

Brookhaven 물리학자는 “우리는 두 개의 나가는 입자를 측정하고 그 전하가 분명히 다릅니다. 그들은 다른 입자입니다. 그러나 이 입자가 구별 가능한 입자임에도 불구하고 서로 얽혀 있거나 서로 동기화되어 있음을 나타내는 간섭 패턴을 봅니다.”라고 Brookhaven 물리학자는 말했습니다. 및 STAR 협력자 Zhangbu Xu.

그 발견은 물질의 빌딩 블록을 매핑한다는 숭고한 목표를 훨씬 넘어서는 응용 프로그램을 가질 수 있습니다.

예를 들어, 2022년 노벨 물리학상을 수상한 과학자를 포함한 많은 과학자들은 물리적으로 분리된 입자의 일종의 “인식” 및 상호 작용인 얽힘을 이용하려고 합니다. 한 가지 목표는 오늘날 존재하는 것보다 훨씬 더 강력한 통신 도구와 컴퓨터를 만드는 것입니다. 그러나 다른 파장을 가진 레이저 간섭의 최근 시연을 포함하여 현재까지 얽힘에 대한 대부분의 다른 관찰은 광자 또는 동일한 전자 사이에서 이루어졌습니다.

“이것은 서로 다른 입자 사이의 얽힘에 대한 최초의 실험적 관찰입니다.”라고 Brandenburg는 말했습니다.

이 작업은 최근에 출판된 논문에 설명되어 있습니다. 과학 발전.

글루온에 빛을 비추다

RHIC는 물리학자들이 양성자와 중성자를 구성하는 쿼크와 ​​글루온과 같은 핵 물질의 가장 내부 구성 요소를 연구할 수 있는 DOE Office of Science 사용자 시설로 운영됩니다. 그들은 빛의 속도에 가까운 속도로 가속기 주변에서 반대 방향으로 이동하는 금과 같은 무거운 원자의 핵을 함께 부수는 방식으로 이를 수행합니다. 핵(이온이라고도 함) 간의 이러한 충돌 강도는 개별 양성자와 중성자 사이의 경계를 “용융”할 수 있으므로 과학자들은 양성자와 중성자가 형성되기 전인 초기 우주에 존재했던 쿼크와 글루온을 연구할 수 있습니다.

그러나 핵물리학자들은 또한 쿼크와 글루온이 오늘날 존재하는 원자핵 내에서 어떻게 행동하는지 알고 싶어합니다. 이를 통해 이러한 구성 요소를 함께 유지하는 힘을 더 잘 이해할 수 있습니다.

RHIC의 가속 이온을 둘러싸고 있는 광자 “구름”을 사용한 최근의 발견은 이러한 빛 입자를 사용하여 핵 내부를 엿볼 수 있는 방법을 제안합니다. 두 개의 금 이온이 충돌하지 않고 서로 매우 가깝게 통과하면 한 이온을 둘러싼 광자가 다른 이온의 내부 구조를 조사할 수 있습니다.

“이전 작업에서 우리는 광자가 이온 중심에서 바깥쪽으로 방사되는 전기장으로 인해 광자가 편광되어 있음을 입증했습니다. 이제 우리는 높은 에너지에서 핵을 효과적으로 이미지화하기 위해 편광이라는 도구를 사용합니다.”라고 Xu는 말했습니다. .

π 사이에서 관찰된 양자 간섭⁺ 그리고 π^– 새로 분석된 데이터에서 광자의 편광 방향을 매우 정밀하게 측정할 수 있습니다. 이를 통해 물리학자들은 광자의 운동 방향과 수직 방향을 따라 글루온 분포를 볼 수 있습니다.

그 2차원 이미징은 매우 중요한 것으로 판명되었습니다.

Brandenburg는 “우리가 편광 방향을 몰랐던 과거의 모든 측정은 글루온의 밀도를 평균값으로 측정했습니다. 즉 핵 중심으로부터의 거리 함수로 측정했습니다.”라고 Brandenburg는 말했습니다. “그건 일차원적인 이미지야.”

이러한 측정 결과는 이론적 모델과 핵의 전하 분포 측정에 의해 예측된 것과 비교했을 때 핵이 너무 크게 보이도록 나왔습니다.

브란덴부르크는 “이 2D 이미징 기술을 통해 왜 이런 일이 발생하는지에 대한 20년 간의 미스터리를 풀 수 있었다”고 말했다.

새로운 측정은 광자 자체의 운동량과 에너지가 글루온의 운동량과 뒤얽혀 있음을 보여줍니다. 광자의 방향을 따라 측정하면(또는 그 방향이 무엇인지 모름) 이러한 광자 효과로 인해 그림이 왜곡됩니다. 그러나 가로 방향으로 측정하면 광자 흐림이 방지됩니다.

“이제 우리는 주어진 각도에서 글루온의 밀도를 실제로 구별할 수 있는 사진을 찍을 수 있습니다. 그리고 Brandenburg는 “이미지가 너무 정확해서 양성자가 있는 위치와 이 큰 핵 내부에 중성자가 배치된 위치 사이의 차이를 볼 수 있습니다.”라고 말했습니다.

새로운 사진은 글루온 분포를 사용한 이론적 예측과 핵 내의 전하 분포 측정치와 질적으로 일치한다고 과학자들은 말합니다.

측정 세부 사항

물리학자들이 이러한 2D 측정을 수행하는 방법을 이해하기 위해 광자-글루온 상호 작용에 의해 생성된 입자로 돌아가 보겠습니다. 이것은 로(rho)라고 불리며 매우 빠르게 쇠퇴합니다. 9월 10억분의 1 초의 — π로⁺ 그리고 π^–. 이 두 파이온의 운동량의 합은 물리학자들에게 부모 rho 입자의 운동량과 글루온 분포 및 광자 흐림 효과를 포함하는 정보를 제공합니다.

추출하려면 단지 글루온 분포, 과학자들은 π 경로 사이의 각도를 측정합니다.⁺ 또는 π^– 그리고 로의 궤적. 각도가 90도에 가까울수록 포톤 프로브에서 덜 흐려집니다. 다양한 각도와 에너지로 움직이는 rho 입자에서 나오는 파이온을 추적함으로써 과학자들은 전체 핵에 걸쳐 글루온 분포를 파악할 수 있습니다.

이제 측정을 가능하게 하는 양자 기이함을 살펴보겠습니다.⁺ 그리고 π^– STAR 검출기에 충돌하는 입자는 서로 다른 두 개의 반대 전하를 띤 입자의 얽힘에 의해 생성된 간섭 패턴의 결과입니다.

우리가 말하는 모든 입자는 물리적 물체뿐만 아니라 파동으로도 존재한다는 점을 명심하십시오. 연못 표면의 잔물결이 바위에 부딪힐 때 바깥쪽으로 방사되는 것처럼 입자 파동의 마루와 골을 설명하는 수학적 “파동 함수”는 서로를 강화하거나 상쇄하기 위해 간섭할 수 있습니다.

거의 빗나가는 두 개의 속도 이온을 둘러싼 광자가 핵 내부의 글루온과 상호 작용할 때 이러한 상호 작용이 실제로 각 핵에 하나씩 두 개의 rho 입자를 생성하는 것과 같습니다. 각 rho가 π로 붕괴함에 따라⁺ 그리고 π^–, 하나의 rho 붕괴에서 음의 pion의 파동함수는 다른 rho 붕괴의 음의 pion의 파동함수를 방해합니다. 강화된 파동함수가 STAR 검출기를 때리면 검출기는 하나의 π를 보게 됩니다.^–. 양전하를 띤 두 파이온의 파동함수에서도 같은 일이 발생하고 검출기는 하나의 π를 보게 됩니다.⁺.

“간섭은 동일한 입자의 두 파동함수 사이에 있지만 서로 다른 두 입자 사이의 얽힘이 없는 π⁺ 그리고 π^– — 이 간섭은 실현되지 않을 것입니다.”라고 중국 과학 기술 대학의 STAR 협력자이자 이 설명의 최초 지지자 중 한 명인 Wangmei Zha는 말했습니다. “이것이 양자 역학의 이상함입니다!”

rhos가 단순히 얽혀있을 수 있습니까? 과학자들은 그렇지 않다고 말합니다. rho 입자 파동함수는 짧은 수명 동안 이동할 수 있는 거리의 20배 거리에서 발생하므로 π로 붕괴되기 전에 서로 상호 작용할 수 없습니다.⁺ 그리고 π^–. 그러나 π의 파동함수는⁺ 그리고 π^– 각 rho 붕괴에서 부모 입자의 양자 정보를 유지합니다. 탐지기 미터가 떨어져 있음에도 불구하고 그들의 마루와 골은 위상이 “서로를 인식”합니다.

“만약 π⁺ 그리고 π^– 얽히지 않았고, 두 π⁺ (또는 π^–) 파동함수는 감지할 수 있는 간섭 효과 없이 임의의 위상을 가질 것입니다”라고 이 결과에 대한 분석을 주도한 중국 산동 대학의 STAR 협력자 Chi Yang은 말했습니다. “우리는 광자와 관련된 어떤 방향도 볼 수 없을 것입니다. 편광 — 또는 이러한 정밀 측정을 할 수 있습니다.”

더 무거운 입자와 다른 수명을 가진 RHIC와 Brookhaven에서 구축 중인 EIC(Electron-Ion Collider)에서의 향후 측정은 핵 내부의 글루온의 보다 상세한 분포를 조사하고 다른 가능한 양자 간섭 시나리오를 테스트할 것입니다.

이 작업은 DOE Office of Science, 미국 국립 과학 재단 및 출판된 논문에 명시된 다양한 국제 기관의 자금 지원을 받았습니다. STAR 팀은 Brookhaven Lab의 RHIC 및 ATLAS 컴퓨팅 시설/과학 데이터 및 컴퓨팅 센터, 로렌스 버클리 국립 연구소의 DOE Office of Science 사용자 시설인 NERSC(National Energy Research Scientific Computing Center)의 컴퓨팅 리소스를 사용했습니다. 오픈 사이언스 그리드 컨소시엄.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2023/01/230104154254.htm