Nuovo tipo di entanglement per osservare i nuclei

L'interferenza quantistica tra particelle dissimili offre un nuovo approccio per mappare i gluoni nei nuclei e potenzialmente sfruttare l'entanglement

Un fotone polarizzato linearmente può essere quantizzato dal campo elettromagnetico potenziato da Lorentz di un nucleo che viaggia a velocità ultrarelativistica. Quando due nuclei pesanti relativistici si incrociano a una distanza di pochi raggi nucleari, il fotone di un nucleo può interagire attraverso una coppia quark-antiquark virtuale con i gluoni dell'altro nucleo, formando un mesone vettoriale di breve durata.

I fisici nucleari hanno trovato un nuovo modo di vedere i dettagli all'interno dei nuclei atomici (1). Lo fanno monitorando le interazioni tra particelle di luce e gluoni, le particelle simili a colla che tengono insieme i mattoni di protoni e neutroni. Il metodo si basa sullo sfruttamento di un nuovo tipo di interferenza quantistica tra due particelle diverse. Monitorare come queste particelle entangled emergono dalle interazioni consente agli scienziati di mappare la disposizione dei gluoni.

L'impatto

Questa tecnica è simile al modo in cui la tomografia a emissione di positroni (PET) scansiona l'immagine del cervello e di altre parti del corpo, ma funziona sulla scala dei femtometri, quadrilionesimi di metro. Aiuterà gli scienziati a capire come i gluoni costruiscono la struttura di protoni, neutroni (2) e atomi che compongono la materia visibile. La misurazione dell'interferenza quantistica avviene tra particelle dissimili che colpiscono metri di distanza nel rivelatore STAR. Questa scoperta potrebbe portare a nuovi modi per sfruttare l'entanglement quantistico. Quasi tutti questi tentativi fino ad oggi, anche nel campo dell'informatica quantistica (3), hanno esplorato l'entanglement tra particelle identiche.

Riepilogo

Questa ricerca ha utilizzato il Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) (4), una struttura utente del Department of Energy Office of Science che accelera e fa collidere i nuclei di atomi come l'oro. Questi nuclei in accelerazione sono circondati da una nuvola di fotoni polarizzati, particelle di luce. Attraverso una serie di fluttuazioni quantistiche, i fotoni che circondano uno ione accelerato possono interagire con i gluoni nell'altro. Tracciando la velocità e gli angoli ai quali determinate particelle emergono da queste interazioni, gli scienziati possono misurare la polarizzazione dei fotoni in modo molto preciso. Ciò consente loro di mappare la distribuzione dei gluoni sia lungo la direzione di polarizzazione che perpendicolarmente ad essa, ottenendo una distribuzione dei gluoni più precisa di quella misurata in precedenza.

Per effettuare queste misurazioni, gli scienziati hanno tracciato due pioni, uno con una carica positiva, l'altro con una carica negativa. Ognuna è costituita dalle funzioni d'onda combinate di particelle che emergono da un processo di decadimento che avviene all'interno di ciascuno dei due nuclei passando a “lunga” distanza (per i nuclei). I modelli di interferenza tra le funzioni d'onda di queste particelle hanno indicato che le particelle con carica opposta che colpiscono il rivelatore STAR di RHIC sono entangled o sincronizzate l'una con l'altra.

Questa prima osservazione sperimentale dell'interferenza tra particelle dissimili, resa nota in uno studio pubblicato su Science Advances (5), rende possibile misurare la polarizzazione dei fotoni e può aprire nuove strade per sfruttare l'entanglement quantistico.

Questo lavoro è stato finanziato dal Department of Energy Office of Science, dal programma Nuclear Physics, dalla US National Science Foundation e da una serie di agenzie internazionali elencate nel documento pubblicato.

Riferimenti:

(1) Nuclei

(2) Neutrons

(3) Quantum Computing

(4) Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC)

(5) Tomography of ultrarelativistic nuclei with polarized photon-gluon collisions

Descrizione foto: Il rivelatore Solenoidal Tracker at RHIC (STAR) delle dimensioni di una casa presso il Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) agisce come una gigantesca fotocamera digitale 3D per tracciare le particelle che emergono dalle collisioni di particelle al centro del rivelatore. - Credit: Immagine per gentile concessione del Brookhaven National Laboratory.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: New Type of Entanglement Lets Scientists ‘See’ Inside Nuclei