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Un nuovo tipo di entanglement consente agli scienziati di “vedere” all’interno dei nuclei

Il rivelatore 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.

Il rivelatore 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. Credito: laboratorio nazionale di Brookhaven

I fisici nucleari hanno trovato un nuovo modo di utilizzare il Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), un collisore di particelle presso il Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE), per vedere la forma e i dettagli all’interno dei nuclei atomici. Il metodo si basa su particelle di luce che circondano gli ioni d’oro mentre sfrecciano intorno al collisore e su un nuovo tipo di entanglement quantistico mai visto prima.

Attraverso una serie di fluttuazioni quantistiche, le particelle di luce (ovvero i fotoni) interagiscono con i gluoni, particelle simili a colla che tengono insieme i quark all’interno dei protoni e dei neutroni dei nuclei. Queste interazioni producono una particella intermedia che decade rapidamente in due “pioni” (π) con carica diversa. Misurando la velocità e gli angoli con cui queste particelle π + e π colpiscono il rivelatore STAR di RHIC, gli scienziati possono tornare indietro per ottenere informazioni cruciali sul fotone e utilizzarle per mappare la disposizione dei gluoni all’interno del nucleo con la massima precisione che mai prima.

“Questa tecnica è simile al modo in cui i medici usano la tomografia a emissione di positroni (scansioni PET) per vedere cosa sta succedendo all’interno del cervello e in altre parti del corpo”, ha detto l’ex fisico del Brookhaven Lab James Daniel Brandenburg, un membro della collaborazione STAR che si è unito all’Ohio State Università come assistente professore nel gennaio 2023. “Ma in questo caso, stiamo parlando di mappare le caratteristiche sulla scala dei femtometri – quadrilionesimi di metro – la dimensione di un singolo protone”.

Ancora più sorprendente, dicono i fisici di STAR, è l’osservazione di un tipo completamente nuovo di interferenza quantistica che rende possibili le loro misurazioni.

“Misuriamo due particelle in uscita e chiaramente le loro cariche sono diverse – sono particelle diverse – ma vediamo schemi di interferenza che indicano che queste particelle sono entangled, o in sincronia l’una con l’altra, anche se sono particelle distinguibili”, ha detto il fisico di Brookhaven e STAR collaboratore Zhangbu Xu.

Questa scoperta potrebbe avere applicazioni che vanno ben oltre l’ambizioso obiettivo di mappare gli elementi costitutivi della materia.

Ad esempio, molti scienziati, compresi quelli insigniti del Premio Nobel per la fisica 2022 , stanno cercando di sfruttare l’entanglement, una sorta di “consapevolezza” e interazione di particelle fisicamente separate. Uno degli obiettivi è creare strumenti di comunicazione e computer significativamente più potenti di quelli esistenti oggi. Ma la maggior parte delle altre osservazioni di entanglement fino ad oggi, inclusa una recente dimostrazione di interferenza di laser con diverse lunghezze d’onda, sono state tra fotoni o elettroni identici.

“Questa è la prima osservazione sperimentale dell’entanglement tra particelle dissimili”, ha detto Brandenburg.

Il lavoro è descritto in un articolo appena pubblicato su Science Advances .

Fare luce sui gluoni

RHIC opera come una struttura per gli utenti del DOE Office of Science dove i fisici possono studiare i mattoni più interni della materia nucleare: i quark e i gluoni che compongono protoni e neutroni. Lo fanno frantumando insieme i nuclei di atomi pesanti come l’oro che viaggiano in direzioni opposte attorno al collisore a una velocità prossima a quella della luce. L’intensità di queste collisioni tra nuclei (chiamati anche ioni) può “sciogliere” i confini tra singoli protoni e neutroni in modo che gli scienziati possano studiare i quark e i gluoni così come esistevano nell’universo primordiale, prima che si formassero protoni e neutroni.

Ma i fisici nucleari vogliono anche sapere come si comportano i quark e i gluoni all’interno dei nuclei atomici così come esistono oggi, per comprendere meglio la forza che tiene insieme questi elementi costitutivi.

Una recente scoperta che utilizza “nuvole” di fotoni che circondano gli ioni in accelerazione di RHIC suggerisce un modo per utilizzare queste particelle di luce per dare un’occhiata all’interno dei nuclei. Se due ioni d’oro passano l’uno vicino all’altro senza scontrarsi, i fotoni che circondano uno ione possono sondare la struttura interna dell’altro.

A sinistra: gli scienziati usano il rivelatore STAR per studiare le distribuzioni dei gluoni tracciando coppie di pioni positivi (blu) e negativi (magenta) (π). Queste coppie π provengono dal decadimento di una particella rho (viola, ρ0) — generata dalle interazioni tra i fotoni che circondano uno ione d'oro in velocità e i gluoni all'interno di un altro che passano molto vicini senza scontrarsi. Più l'angolo (Φ) tra π e la traiettoria di rho è vicino a 90 gradi, più chiara è la visione che gli scienziati ottengono della distribuzione dei gluoni. Destra/riquadro: le particelle π+ e π- misurate sperimentano un nuovo tipo di entanglement quantistico. Ecco le prove: quando i nuclei si incrociano, è come se si generassero due particelle rho (viola), una in ciascun nucleo (oro) a una distanza di 20 femtometri. Come ogni rho decade, le funzioni d'onda dei pioni negativi di ogni decadimento rho interferiscono e si rafforzano a vicenda, mentre le funzioni d'onda dei pioni positivi di ogni decadimento fanno lo stesso, risultando in una funzione d'onda π+ e una π- (nota anche come particella) che colpisce il rivelatore. Questi schemi di rinforzo non sarebbero possibili se π+ e π- non fossero entangled.

A sinistra: gli scienziati usano il rivelatore STAR per studiare le distribuzioni dei gluoni tracciando coppie di pioni positivi (blu) e negativi (magenta) (π). Queste coppie π provengono dal decadimento di una particella rho (viola, ρ0) — generata dalle interazioni tra i fotoni che circondano uno ione d’oro in velocità e i gluoni all’interno di un altro che passano molto vicini senza scontrarsi. Più l’angolo (Φ) tra π e la traiettoria di rho è vicino a 90 gradi, più chiara è la visione che gli scienziati ottengono della distribuzione dei gluoni. Destra/riquadro: le particelle π+ e π- misurate sperimentano un nuovo tipo di entanglement quantistico. Ecco le prove: quando i nuclei si incrociano, è come se si generassero due particelle rho (viola), una in ciascun nucleo (oro) a una distanza di 20 femtometri. Come ogni rho decade, le funzioni d’onda dei pioni negativi di ogni decadimento rho interferiscono e si rafforzano a vicenda, mentre le funzioni d’onda dei pioni positivi di ogni decadimento fanno lo stesso, risultando in una funzione d’onda π+ e una π- (nota anche come particella) che colpisce il rivelatore. Questi schemi di rinforzo non sarebbero possibili se π+ e π- non fossero entangled. Credito: laboratorio nazionale di Brookhaven

“In quel lavoro precedente, abbiamo dimostrato che quei fotoni sono polarizzati, con il loro campo elettrico che si irradia verso l’esterno dal centro dello ione. E ora usiamo quello strumento, la luce polarizzata, per visualizzare efficacemente i nuclei ad alta energia”, ha detto Xu. .

L’interferenza quantistica osservata tra π + e π nei nuovi dati analizzati consente di misurare in modo molto preciso la direzione di polarizzazione dei fotoni. Ciò a sua volta consente ai fisici di osservare la distribuzione dei gluoni sia lungo la direzione del moto del fotone che perpendicolarmente ad esso.

Quell’immagine bidimensionale risulta essere molto importante.

“Tutte le misurazioni passate, in cui non conoscevamo la direzione di polarizzazione, hanno misurato la densità dei gluoni come media, in funzione della distanza dal centro del nucleo”, ha detto Brandenburg. “È un’immagine unidimensionale.”

Queste misurazioni sono risultate tutte facendo sembrare il nucleo troppo grande rispetto a quanto previsto dai modelli teorici e dalle misurazioni della distribuzione della carica nel nucleo.

“Con questa tecnica di imaging 2D, siamo stati in grado di risolvere il mistero di 20 anni sul motivo per cui questo accade”, ha affermato Brandenburg.

Le nuove misurazioni mostrano che la quantità di moto e l’energia dei fotoni stessi si contorcono con quella dei gluoni. Misurando solo lungo la direzione del fotone (o non sapendo quale sia quella direzione) si ottiene un’immagine distorta da questi effetti del fotone. Ma la misurazione nella direzione trasversale evita la sfocatura del fotone.

“Ora possiamo scattare una foto in cui possiamo davvero distinguere la densità dei gluoni a un dato angolo e raggio”, ha detto Brandenburg. “Le immagini sono così precise che possiamo persino iniziare a vedere la differenza tra dove si trovano i protoni e dove sono disposti i neutroni all’interno di questi grandi nuclei”.

Le nuove immagini corrispondono qualitativamente alle previsioni teoriche utilizzando la distribuzione dei gluoni, così come le misurazioni della distribuzione della carica elettrica all’interno dei nuclei, affermano gli scienziati.

Dettagli delle misure

Per capire come i fisici effettuano queste misurazioni 2D, torniamo alla particella generata dall’interazione fotone-gluone. Si chiama rho e decade molto rapidamente, in meno di quattro septillionesimi di secondo, in π + e π . La somma delle quantità di moto di questi due pioni fornisce ai fisici la quantità di moto della particella madre rho e informazioni che includono la distribuzione dei gluoni e l’effetto di sfocatura dei fotoni.

Per estrarre solo la distribuzione dei gluoni, gli scienziati misurano l’angolo tra il percorso di π + o π e la traiettoria di rho. Più l’angolo è vicino a 90 gradi, meno sfocatura si ottiene dalla sonda fotonica. Tracciando i pioni che provengono da particelle rho che si muovono a una gamma di angoli ed energie, gli scienziati possono mappare la distribuzione dei gluoni attraverso l’intero nucleo.

Passiamo ora alla bizzarria quantistica che rende possibili le misurazioni: l’evidenza che le particelle π + e π che colpiscono il rivelatore STAR derivano da schemi di interferenza prodotti dall’entanglement di queste due particelle dissimili di carica opposta.

Tieni presente che tutte le particelle di cui stiamo parlando esistono non solo come oggetti fisici ma anche come onde. Come le increspature sulla superficie di uno stagno che si irradiano verso l’esterno quando colpiscono una roccia, le “funzioni d’onda” matematiche che descrivono le creste e gli avvallamenti delle onde di particelle possono interferire per rafforzarsi o annullarsi a vicenda.

Quando i fotoni che circondano due ioni in accelerazione quasi mancanti interagiscono con i gluoni all’interno dei nuclei, è come se quelle interazioni generassero effettivamente due particelle rho, una in ciascun nucleo. Poiché ogni rho decade in un π + e π , la funzione d’onda del pione negativo di un decadimento rho interferisce con la funzione d’onda del pione negativo dell’altro. Quando la funzione d’onda rinforzata colpisce il rivelatore STAR, il rivelatore vede un π . La stessa cosa accade con le funzioni d’onda dei due pioni caricati positivamente, e il rivelatore vede uno π + .

“L’interferenza è tra due funzioni d’onda delle particelle identiche, ma senza l’entanglement tra le due particelle dissimili – il π + e π – – questa interferenza non si materializzerebbe”, ha detto Wangmei Zha, un collaboratore di STAR presso l’Università di Scienza e Tecnologia della Cina, e uno dei fautori originali di questa spiegazione. “Questa è la stranezza della meccanica quantistica!”

I rhos potrebbero essere semplicemente impigliati? Gli scienziati dicono di no. Le funzioni d’onda delle particelle rho hanno origine a una distanza 20 volte la distanza che potrebbero percorrere durante la loro breve vita, quindi non possono interagire tra loro prima di decadere in π + e π . Ma le funzioni d’onda di π + e π di ciascun decadimento rho conservano l’informazione quantistica delle loro particelle madri; le loro creste e le loro depressioni sono in fase, “consapevoli l’una dell’altra”, nonostante colpiscano il rivelatore a metri di distanza.

“Se π + e π non fossero entangled, le due funzioni d’onda π + (o π ) avrebbero una fase casuale, senza alcun effetto di interferenza rilevabile”, ha affermato Chi Yang, un collaboratore di STAR dell’Università di Shandong in Cina, che ha anche ha contribuito a condurre l’analisi per questo risultato. “Non vedremmo alcun orientamento correlato alla polarizzazione dei fotoni, né saremmo in grado di effettuare queste misurazioni di precisione”.

Le misurazioni future presso RHIC con particelle più pesanti e vite diverse – e presso un Electron-Ion Collider (EIC) in costruzione a Brookhaven – sonderanno distribuzioni più dettagliate dei gluoni all’interno dei nuclei e testeranno altri possibili scenari di interferenza quantistica.

 

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