Tajanstveni kvantni fenomen omogućuje nam da zavirimo u srce atoma

U srcu svakog atoma u Svemiru tiho se širi kovitlajući vjetar čestica kojeg fizika žudi razumjeti.

Niti jedna sonda, nijedan mikroskop i nijedan rendgenski uređaj ne mogu se „nadati” da će shvatiti kaotičnu zamućenost kvantnih zupčanika koji se vrte unutar atoma, ostavljajući fizičare da teoretiziraju najbolje što mogu temeljem krhotina sudara velikih brzina unutar sudarača čestica.

Znanstvenici sada imaju novi alat koji im pruža mali uvid u protone i neutrone koji tvore jezgre atoma, a koji se temelji na ispreplitanju čestica nastalih dok atomi zlata brzo prolaze jedni pokraj drugih.

Koristeći moćni Relativistički sudarač teških iona (RHIC) u Nacionalnom laboratoriju Brookhaven Ministarstva energetike SAD-a, znanstvenici su pokazali kako je moguće prikupiti precizne pojedinosti o rasporedu protona i neutrona zlata koristeći vrstu kvantne interferencije kakva u eksperimentu nikad prije nije viđena.

"Ova tehnika je slična načinu na koji liječnici koriste pozitronsku emisijsku tomografiju (PET skeniranje) kako bi vidjeli što se događa u mozgu i drugim dijelovima tijela", kaže fizičar James Daniel Brandenburg, bivši istraživač u Brookhavenu, a sada član kolaboracije STAR.

"Ali u ovom slučaju, govorimo o mapiranju značajki na skali femtometra – kvadrilijuntnih dijelova metra – veličine pojedinačnog protona."

U udžbeničkim terminima, anatomija protona može se opisati kao trio temeljnih građevnih blokova zvanih kvarkovi, međusobno povezanih razmjenom čestice koja nosi silu, a zove se gluon.

Kad bismo zumirali i promatrali ovu suradnju iz prve ruke, ne bismo vidjeli ništa uredno. Čestice i antičestice pojavljuju se i nestaju u kipućoj pjeni statističkog ludila, gdje su pravila o raspodjeli čestica sve samo ne dosljedna.

Postavljanje ograničenja na kretanja i momente kvarkova i gluona zahtijeva malo lukavog razmišljanja, ali čvrsti dokazi su ono što fizičari stvarno žele.

Nažalost, jednostavno „obasjavanje protona svjetlom” neće rezultirati snimkom njegovih pokretnih dijelova. Fotoni i gluoni ponašaju se po vrlo različitim pravilima, što znači da su jedni drugima nevidljivi.

Međutim, postoji rupa u zakonu. Prožeti s dovoljno energije, valovi svjetlosti mogu povremeno uzburkati parove čestica koje su na rubu postojanja prije nego ponovno nestanu, među kojima su kvarkovi i antikvarkovi.

Dogodi li se to spontano izranjanje unutar dometa jezgre atoma, poltergeistovo treperenje suprotstavljenih kvarkova moglo bi se pomiješati s vrtložnim valovima gluona i privremeno formirati konglomerat poznat kao rho čestica, koji se u djeliću sekunde razbija u par nabijenih čestica naziva pioni.

Ti se parovi sastoje od pozitivnog piona, koji se sastoji od gornjeg kvarka i donjeg antikvarka, i negativnog piona koji se sastoji od donjeg kvarka i gornjeg antikvarka.

Praćenje putanje i svojstava piona nastalih na ovaj način moglo bi nam reći nešto o „kaosu” u kojem su rođeni.

Prije nekoliko godina istraživači s RHIC-a otkrili su da je moguće koristiti elektromagnetska polja, koja okružuju atome zlata i kreću se velikom brzinom, kao izvor fotona.

"U ranijem radu, pokazali smo da su fotoni polarizirani, njihovim električnim poljem koje zrači prema van iz središta iona", kaže fizičar iz Brookhavena Zhangbu Xu.

"Sada koristimo taj alat, polarizirano svjetlo, za učinkovito snimanje jezgri pri visokoj energiji."

Kada dva atoma zlata jedva izbjegnu sudar dok kruže oko sudarača u suprotnim smjerovima, fotoni svjetlosti koji prolaze kroz svaku jezgru mogu stvoriti rho česticu i, sukladno tome, parove nabijenih piona.

Fizičari su izmjerili pione izbačene iz jezgri zlata u prolazu i pokazali da oni doista imaju suprotne naboje. Analiza valnih svojstava kiše čestica pokazala je znakove interferencije koja se može pratiti unatrag do polarizacije svjetlosti i nagovijestila nešto daleko manje očekivano.

U tipičnim primijenjenim i eksperimentalnim kvantnim postavkama, isprepletenost se opaža između čestica iste vrste: elektrona s elektronima, fotona s fotonima i atoma s atomima.

Obrasci interferencije uočeni u analizi čestica proizvedenih u ovom eksperimentu mogu se objasniti samo ispreplitanjem ne identičnih čestica – negativno nabijenog piona s pozitivno nabijenim pionom.

Iako daleko od teorijske anomalije, daleko je i od svakodnevne pojave u laboratoriju, što predstavlja prvo eksperimentalno opažanje isprepletenosti koja uključuje različite čestice.

Prateći isprepletene uzorke interferencije do jezgri zlata, fizičari bi mogli izvući dvodimenzionalni „portret” distribucije gluona, pružajući nove uvide u strukture nuklearnih čestica.

"Sada imamo način za snimiti sliku na kojoj zaista možemo razlikovati gustoću gluona pod određenim kutom i radijusom", kaže Brandenburg.

"Slike su toliko precizne da možemo vidjeti razliku između mjesta gdje su protoni i mjesta nastanka neutrona unutar velike jezgre."

Izvor: Science Alert