Los físicos nucleares han encontrado una nueva forma de utilizar el colisionador de iones pesados relativistas (RHIC), un colisionador de partículas en el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), para ver la forma y los detalles dentro de los núcleos atómicos. El método se basa en partículas de luz que rodean a los iones de oro a medida que aceleran alrededor del colisionador y en un nuevo tipo de entrelazamiento cuántico que nunca antes se había visto.
A través de una serie de fluctuaciones cuánticas, las partículas de luz (también conocidas como fotones) interactúan con gluones, partículas similares a pegamento que mantienen unidos a los quarks dentro de los protones y neutrones de los núcleos. Esas interacciones producen una partícula intermedia que se descompone rápidamente en dos «piones» (π) con diferente carga. Al medir la velocidad y los ángulos en los que estos π+ y π– Cuando las partículas golpean el detector STAR de RHIC, los científicos pueden retroceder para obtener información crucial sobre el fotón, y usarla para mapear la disposición de los gluones dentro del núcleo con mayor precisión que nunca.
«Esta técnica es similar a la forma en que los médicos usan la tomografía por emisión de positrones (PET) para ver qué sucede dentro del cerebro y otras partes del cuerpo», dijo James Daniel Brandenburg, exfísico de Brookhaven Lab, miembro de la colaboración STAR que se unió a The Ohio State Universidad como profesor asistente en enero de 2023. «Pero en este caso, estamos hablando de mapear características en la escala de femtometros — cuadrillonésimas de un metro — el tamaño de un protón individual».
Aún más sorprendente, dicen los físicos de STAR, es la observación de un tipo completamente nuevo de interferencia cuántica que hace posible sus mediciones.
«Medimos dos partículas salientes y claramente sus cargas son diferentes, son partículas diferentes, pero vemos patrones de interferencia que indican que estas partículas están entrelazadas o sincronizadas entre sí, a pesar de que son partículas distinguibles», dijo el físico de Brookhaven. y el colaborador de STAR, Zhangbu Xu.
Ese descubrimiento puede tener aplicaciones mucho más allá del elevado objetivo de mapear los componentes básicos de la materia.
Por ejemplo, muchos científicos, incluidos los galardonados con el Premio Nobel de Física de 2022, buscan aprovechar el entrelazamiento, una especie de «conciencia» e interacción de partículas separadas físicamente. Uno de los objetivos es crear herramientas de comunicación y computadoras significativamente más potentes que las que existen en la actualidad. Pero la mayoría de las demás observaciones de entrelazamiento hasta la fecha, incluida una demostración reciente de interferencia de láseres con diferentes longitudes de onda, han sido entre fotones o electrones idénticos.
«Esta es la primera observación experimental de entrelazamiento entre partículas diferentes», dijo Brandenburg.
El trabajo se describe en un artículo recién publicado en Avances de la ciencia.
Brillando una luz sobre los gluones
El RHIC funciona como una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE donde los físicos pueden estudiar los componentes básicos más internos de la materia nuclear: los quarks y los gluones que forman los protones y los neutrones. Lo hacen aplastando los núcleos de átomos pesados, como el oro, que viajan en direcciones opuestas alrededor del colisionador a una velocidad cercana a la de la luz. La intensidad de estas colisiones entre núcleos (también llamados iones) puede «fundir» los límites entre protones y neutrones individuales para que los científicos puedan estudiar los quarks y gluones tal como existían en el universo primitivo, antes de que se formaran los protones y los neutrones.
Pero los físicos nucleares también quieren saber cómo se comportan los quarks y los gluones dentro de los núcleos atómicos tal como existen hoy, para comprender mejor la fuerza que mantiene unidos estos componentes básicos.
Un descubrimiento reciente que usa «nubes» de fotones que rodean los iones acelerados de RHIC sugiere una forma de usar estas partículas de luz para vislumbrar el interior de los núcleos. Si dos iones de oro se cruzan muy de cerca sin chocar, los fotones que rodean a un ion pueden sondear la estructura interna del otro.
«En ese trabajo anterior, demostramos que esos fotones están polarizados, con su campo eléctrico irradiando hacia afuera desde el centro del ion. Y ahora usamos esa herramienta, la luz polarizada, para obtener imágenes efectivas de los núcleos a alta energía», dijo Xu. .
La interferencia cuántica observada entre el π+ y π– en los datos recién analizados permite medir con mucha precisión la dirección de polarización de los fotones. Eso, a su vez, permite a los físicos observar la distribución de gluones tanto a lo largo de la dirección del movimiento del fotón como perpendicular a él.
Esa imagen bidimensional resulta ser muy importante.
«Todas las mediciones anteriores, en las que no conocíamos la dirección de la polarización, midieron la densidad de los gluones como un promedio, en función de la distancia desde el centro del núcleo», dijo Brandenburg. «Esa es una imagen unidimensional».
Todas esas medidas dieron como resultado que el núcleo pareciera demasiado grande en comparación con lo que predijeron los modelos teóricos y las medidas de la distribución de carga en el núcleo.
«Con esta técnica de imágenes en 2D, pudimos resolver el misterio de 20 años de por qué sucede esto», dijo Brandenburg.
Las nuevas mediciones muestran que el impulso y la energía de los fotones se enredan con los de los gluones. Medir solo a lo largo de la dirección del fotón (o no saber cuál es esa dirección) da como resultado una imagen distorsionada por estos efectos del fotón. Pero medir en la dirección transversal evita la borrosidad del fotón.
«Ahora podemos tomar una foto donde realmente podemos distinguir la densidad de gluones en un ángulo dado y radio», dijo Brandenburg. «Las imágenes son tan precisas que incluso podemos comenzar a ver la diferencia entre dónde están los protones y dónde están los neutrones dentro de estos grandes núcleos».
Las nuevas imágenes coinciden cualitativamente con las predicciones teóricas que utilizan la distribución de gluones, así como con las mediciones de la distribución de carga eléctrica dentro de los núcleos, dicen los científicos.
Detalles de las medidas
Para comprender cómo los físicos realizan estas mediciones 2D, volvamos a la partícula generada por la interacción fotón-gluón. Se llama rho y se descompone muy rápidamente, en menos de cuatro septillones de un segundo — en el π+ y π–. La suma de los momentos de esos dos piones les da a los físicos el momento de la partícula rho madre, e información que incluye la distribución de gluones y el efecto de desenfoque de fotones.
Extraer solo la distribución de gluones, los científicos miden el ángulo entre la trayectoria de π+ o π– y la trayectoria de rho. Cuanto más cerca esté ese ángulo de 90 grados, menos borrosidad obtendrá de la sonda de fotones. Al rastrear los piones que provienen de las partículas rho que se mueven en una variedad de ángulos y energías, los científicos pueden trazar un mapa de la distribución de gluones en todo el núcleo.
Ahora, la peculiaridad cuántica que hace posibles las mediciones: la evidencia de que π+ y π– las partículas que golpean el detector STAR son el resultado de patrones de interferencia producidos por el entrelazamiento de estas dos partículas diferentes con carga opuesta.
Tenga en cuenta que todas las partículas de las que estamos hablando existen no solo como objetos físicos sino también como ondas. Al igual que las ondas en la superficie de un estanque que se irradian hacia afuera cuando golpean una roca, las «funciones de onda» matemáticas que describen las crestas y valles de las ondas de partículas pueden interferir para reforzarse o anularse entre sí.
Cuando los fotones que rodean a dos iones acelerados que casi chocan interactúan con gluones dentro de los núcleos, es como si esas interacciones generaran dos partículas rho, una en cada núcleo. Como cada rho decae en un π+ y π–, la función de onda del pión negativo de un decaimiento de rho interfiere con la función de onda del pión negativo del otro. Cuando la función de onda reforzada golpea el detector STAR, el detector ve un π–. Lo mismo sucede con las funciones de onda de los dos piones cargados positivamente, y el detector ve uno π+.
«La interferencia es entre dos funciones de onda de las partículas idénticas, pero sin el enredo entre las dos partículas diferentes — el π+ y π– — esta interferencia no se materializaría», dijo Wangmei Zha, colaborador de STAR en la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, y uno de los defensores originales de esta explicación. «¡Esta es la rareza de la mecánica cuántica!»
¿Podrían los rhos simplemente estar enredados? Los científicos dicen que no. Las funciones de onda de la partícula rho se originan a una distancia 20 veces mayor que la distancia que podrían viajar en su corta vida, por lo que no pueden interactuar entre sí antes de que decaigan a π+ y π–. Pero las funciones de onda de la π+ y π– de cada desintegración rho conservan la información cuántica de sus partículas progenitoras; sus crestas y valles están en fase, «conscientes el uno del otro», a pesar de golpear el detector a metros de distancia.
«Si la π+ y π– no estaban enredados, los dos π+ (o π–) tendrían una fase aleatoria, sin ningún efecto de interferencia detectable», dijo Chi Yang, colaborador de STAR de la Universidad de Shandong en China, quien también ayudó a dirigir el análisis de este resultado. «No veríamos ninguna orientación relacionada con el fotón polarización, o ser capaz de hacer estas mediciones de precisión».
Las mediciones futuras en RHIC con partículas más pesadas y diferentes tiempos de vida, y en un Colisionador de iones de electrones (EIC) que se está construyendo en Brookhaven, probarán distribuciones más detalladas de gluones dentro de los núcleos y probarán otros posibles escenarios de interferencia cuántica.
Este trabajo fue financiado por la Oficina de Ciencias del DOE, la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. y una variedad de agencias internacionales detalladas en el artículo publicado. El equipo de STAR usó recursos computacionales en RHIC y ATLAS Computing Facility/Scientific Data and Computing Center en Brookhaven Lab, el National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, y el consorcio Open Science Grid.
