美國科學家們成功使用新型量子糾纏看到了原子核內部

美國核物理學家發現了一種使用相對論重離子對撞機RHIC的新方法，該對撞機是美國能源部DOE布魯克海文國家實驗室的一種粒子對撞機，用於查看原子核內部的形狀和細節。這種方法依賴於金離子在對撞機周圍加速時圍繞的光粒子，以及一種前所未有的新型量子糾纏。通過一系列的量子漲落，光粒子（又稱光子）與膠子型粒子相互作用，膠子凝膠型粒子可以將夸克固定在原子核的質子和中子中。這些相互作用產生了一箇中間粒子，它迅速衰變爲兩個不同電荷的“π”。通過測量這些π+和π-粒子撞擊RHIC的STAR探測器的速度和角度，科學家們可以回溯到有關光子的關鍵信息，並利用這些信息以比以往更高的精度繪製出核內膠子的排列。科學家們解釋說：“令人驚奇的是，觀測到了一種全新的量子干涉，這使得我們的測量成爲可能。我們測量了兩個粒子，很明顯它們的電荷是不同的，它們是不同的粒子，但我們看到的干涉圖案表明，這些粒子是相互糾纏或同步的，即使它們是可分辨的粒子。”這一發現的應用是無限的。例如，許多科學家，包括獲得2022年諾貝爾物理學獎的科學家們，正在尋求利用糾纏——一種物理分離粒子的“意識”和相互作用，一個目標是創造比現在更強大的通信工具和計算機。但迄今爲止，對糾纏的大多數其他觀察，包括最近對不同波長激光干涉的演示，都是在光子或相同電子之間進行的。RHIC是美國能源部科學辦公室的一個用戶設施，物理學家可以在這裡研究核物質最內部的結構——構成質子和中子的夸克和膠子。科學家們通過以接近光速的速度將在對撞機周圍以相反方向行進的重原子（如金）的原子核粉碎來實現這一點。原子核（也稱爲離子）之間碰撞的強度可以“熔化”單個質子和中子之間的邊界，因此科學家可以研究夸克和膠子，因爲它們在質子和中子形成之前就存在於早期宇宙中了。但核物理學家也想知道夸克和膠子在原子核中的行爲，正如科學家們現在所存在的那樣，以更好地理解將這些構件連接在一起的力。最近一項利用圍繞RHIC高速離子的光子“雲”的發現，提出了一種利用這些光粒子來窺探原子核內部的方法。如果兩個金離子彼此非常接近而不發生碰撞，那麼一個離子周圍的光子可以探測另一個離子的內部結構。“在之前的工作中，我們證明了這些光子是偏振的，它們的電場從離子中心向外輻射。現在我們使用偏振光這一工具，在高能下有效地對原子核成像。”科學家們解釋說。在新分析的數據中觀察到的π+和π-之間的量子干涉使得可以非常精確地測量光子的偏振方向。這反過來又使物理學家能夠觀察沿着光子運動方向和垂直於光子運動方向的膠子分佈。事實證明，二維成像非常重要。“所有過去的測量，在我們不知道極化方向的地方，都測量了膠子的密度，作爲與原子核中心距離的函數。”“這是一維圖像。”科學家們解釋說。這些測量結果表明，與理論模型和原子核電荷分佈的測量結果相比，原子核看起來太大了。美國科學家們解釋說：“通過這種2D成像技術，我們能夠解開20年來爲什麼會發生這種情況的謎團。”新的測量結果表明，光子本身的動量和能量會與膠子的動量和動量發生卷積。僅僅沿着光子的方向測量（或者不知道該方向是什麼）會導致圖片被這些光子效應扭曲，但橫向測量避免了光子扭曲。大家需要明白的是，所有粒子不僅作爲物理物體存在，而且也作爲波存在。就像池塘表面的漣漪在撞擊岩石時向外輻射一樣，描述粒子波波峰和波谷的數學“波函數”可以相互干擾，相互加強或抵消。當圍繞着兩個接近脫靶的加速離子的光子與核內的膠子相互作用時，就好像這些相互作用實際上產生了兩個ρ粒子，每個核中一個。當每個ρ衰變爲π+和π-時，來自一個ρ衰變的負π介子的波函數會干擾來自另一個ρ的負ππ介子的波函數。當增強波函數撞擊STAR探測器時，探測器看到一個π-。同樣的事情發生在兩個帶正電的π介子的波函數上，探測器看到一個π+。