新型纠缠让科学家看到原子核内部

纽约州厄普顿——核物理学家找到了一种使用 相对论重离子对撞机 (RHIC)(能源部 (DOE) 布鲁克海文国家实验室的粒子对撞机)来观察原子核内部形状和细节的新方法。该方法依赖于围绕对撞机加速的金离子周围的光粒子和一种以前从未见过的新型量子纠缠。

通过一系列的量子涨落，光的粒子(又名光子)与胶子相互作用——胶子将夸克束缚在原子核的质子和中子中。这些相互作用会产生一个中间粒子，该粒子会迅速衰变为两个带不同电荷的“π介子”(π)。通过测量这些 π + 和 π - 粒子撞击 RHIC 的 STAR 探测器的速度和角度，科学家们可以回溯以获得关于光子的关键信息——并利用这些信息以比以往更高的精度绘制出原子核内胶子的排列前。

“这种技术类似于医生使用正电子发射断层扫描(PET 扫描)来查看大脑和其他身体部位内部情况的方式，”前布鲁克海文实验室物理学家 James Daniel Brandenburg 说，他是加入俄亥俄州立大学的 STAR 合作成员2023 年 1 月作为助理教授进入大学。“但在这种情况下，我们谈论的是在飞米的尺度上绘制特征—— 百万分之一米——单个质子的大小。”

STAR 物理学家说，更令人惊奇的是观察到一种全新的量子干涉，这使得他们的测量成为可能。

“我们测量了两个出射粒子，很明显它们的电荷不同——它们是不同的粒子——但我们看到的干涉模式表明这些粒子相互纠缠或同步，即使它们是可区分的粒子，”Brookhaven 物理学家和 STAR 说合作者张步旭。

这一发现的应用可能远远超出绘制出物质构建块的崇高目标。

例如，许多科学家，包括那些获得 2022 年诺贝尔物理学奖的科学家，都在寻求利用纠缠——物理上分离的粒子的一种“意识”和相互作用。一个目标是创造比现有的更强大的通信工具和计算机。但迄今为止，大多数其他纠缠观察结果，包括 最近对不同波长激光干涉的演示，都是在光子或相同电子之间进行的。

“这是对不同粒子之间纠缠的首次实验观察，”勃兰登堡说。

刚刚发表在 Science Advances上的一篇论文描述了这项工作。

照亮胶子

RHIC 作为 DOE 科学办公室用户设施运行，物理学家可以在这里研究核物质的最内部结构单元—— 构成质子和中子的夸克和胶子。他们通过将重原子(例如金)的原子核以接近光速的速度围绕对撞机以相反的方向运动在一起来实现这一点。原子核(也称为离子)之间的这些碰撞强度可以“融化”单个质子和中子之间的边界，因此科学家可以研究早期宇宙中存在的夸克和胶子——在质子和中子形成之前。

但核物理学家也想知道夸克和胶子在当今存在的原子核中是如何表现的——以便更好地理解将这些构件结合在一起的力。

最近 使用围绕 RHIC 超速离子的光子“云”的一项发现 提出了一种使用这些光粒子来瞥见原子核内部的方法。如果两个金离子非常接近地彼此通过而没有碰撞，则围绕一个离子的光子可以探测另一个离子的内部结构。

“在早期的工作中，我们证明了这些光子是极化的，它们的电场从离子中心向外辐射。现在我们使用这种工具，即偏振光，来有效地对高能原子核成像，”徐说。

在新分析的数据中，在 π + 和 π -之间观察到的量子干涉 使得非常精确地测量光子的偏振方向成为可能。这反过来又让物理学家可以沿着光子运动的方向和垂直于它的方向观察胶子分布。

事实证明，二维成像非常重要。

“在我们不知道极化方向的所有过去的测量中，测量的胶子密度是平均值——作为距核中心距离的函数，”勃兰登堡说。“那是一维图像。”

与理论模型和原子核中电荷分布测量的预测相比，这些测量结果都使原子核看起来太大了。

“通过这种 2D 成像技术，我们能够解开 20 年来为什么会发生这种情况的谜团，”Brandenburg 说。

新的测量表明，光子本身的动量和能量与胶子的动量和能量相互交织。仅沿着光子的方向(或不知道那个方向是什么)进行测量会导致图像因这些光子效应而失真。但是横向测量避免了光子模糊。

“现在我们可以拍一张照片，在给定角度 和 半径下，我们可以真正区分胶子的密度，”勃兰登堡说。“这些图像非常精确，我们甚至可以开始看到质子的位置和中子在这些大原子核中的位置之间的区别。”

科学家们说，新图片与使用胶子分布的理论预测以及原子核内电荷分布的测量在质量上相符。

测量详情

要了解物理学家如何进行这些二维测量，让我们回到由光子-胶子相互作用产生的粒子。它被称为 rho，它衰减得非常快——不到四分之一 秒 ——变成 π + 和 π -。这两个π介子的动量之和为物理学家提供了母体 rho 粒子的动量——以及包括胶子分布和光子模糊效应在内的信息。

为了仅提取 胶子分布，科学家们测量了 π + 或 π -的路径 与 rho 轨迹之间的角度。该角度越接近 90 度，您从光子探测器获得的模糊就越少。通过跟踪来自以一定角度和能量范围移动的 rho 粒子的π介子，科学家们可以绘制出整个原子核的胶子分布图。

现在让测量成为可能的量子奇异性——有证据表明，撞击 STAR 探测器的 π + 和 π - 粒子是由这两个不同的带相反电荷的粒子纠缠产生的干涉图案引起的。

请记住，我们所讨论的所有粒子不仅以物理对象的形式存在，而且还以波的形式存在。就像池塘表面的涟漪在撞击岩石时向外辐射一样，描述粒子波波峰和波谷的数学“波函数”可以相互干涉，相互加强或抵消。

当围绕着两个接近失败的高速离子的光子与原子核内的胶子相互作用时，就好像这些相互作用实际上产生了两个 rho 粒子，每个原子核一个。当每个 rho 衰变为 π + 和 π -时，一个 rho 衰变的负π介子波函数会干扰另一个负π介子的波函数。当增强的波函数撞击 STAR 探测器时，探测器会看到一个 π -。同样的事情发生在两个带正电的介子的波函数上，探测器检测到一个 π +。

“干涉发生在相同粒子的两个波函数之间，但如果没有两个不同粒子(π + 和 π -)之间的纠缠，这种干涉就不会实现，”科学技术大学的 STAR 合作者 Wangmei Zha 说。中国的，也是这种解释的最初支持者之一。“这就是量子力学的诡异之处!”

rhos 可以简单地纠缠在一起吗?科学家们说不。rho 粒子波函数的起源距离是它们在其短暂生命周期内可以传播的距离的 20 倍，因此它们在衰减到 π + 和 π -之前无法相互作用。但是来自每个 rho 衰变的 π + 和 π -的波函数 保留了它们母粒子的量子信息;它们的波峰和波谷是同相的，“相互感知”，尽管探测器相隔数米。

“如果 π + 和 π - 没有纠缠，两个 π + (​​或 π -)波函数将具有随机相位，没有任何可检测到的干涉效应，”来自中国山东大学的 STAR 合作者 Chi Yang 说，他也帮助领导了对这一结果的分析。“我们看不到任何与光子偏振相关的方向——或者无法进行这些精确测量。”

未来在 RHIC 上使用更重的粒子和不同的寿命进行测量——以及 在布鲁克海文建造的电子离子对撞机(EIC) 上——将探测原子核内胶子的更详细分布，并测试其他可能的量子干涉场景。

这项工作由能源部科学办公室、国家科学基金会和发表的论文中详细说明的一系列国际机构资助。 STAR 团队使用了布鲁克海文实验室 的 RHIC 和 ATLAS 计算设施/科学数据和计算中心、国家能源研究科学计算中心 (NERSC)——劳伦斯伯克利国家实验室的 DOE 科学办公室用户设施——以及 Open科学网格联盟。