A primeira observação da interferência quântica entre partículas diferentes oferece uma nova abordagem para mapear a distribuição de glúons em núcleos atômicos – e potencialmente mais.
Físicos nucleares descobriram uma nova maneira de usar o Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) – um colisor de partículas no Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE) – para ver a forma e os detalhes dentro dos núcleos atômicos. O método se baseia em partículas de luz que envolvem os íons de ouro conforme eles se movem em torno do colisor e um novo tipo de emaranhamento quântico nunca antes visto.
Por meio de uma série de flutuações quânticas, as partículas de luz (também conhecidas como fótons) interagem com os glúons – partículas semelhantes a cola que mantêm os quarks unidos dentro dos prótons e nêutrons dos núcleos. Essas interações produzem uma partícula intermediária que decai rapidamente em dois “píons” com cargas diferentes (p). Ao medir a velocidade e os ângulos em que essas partículas p+ e p- atingem o detector STAR do RHIC, os cientistas podem retroceder para obter informações cruciais sobre o fóton – e usá-las para mapear o arranjo dos glúons dentro do núcleo com maior precisão do que nunca.
“Esta técnica é semelhante à forma como os médicos usam a tomografia por emissão de pósitrons (PET scans) para ver o que está acontecendo dentro do cérebro e outras partes do corpo”, disse o ex-físico do Brookhaven Lab James Daniel Brandenburg, membro da colaboração STAR que ingressou no The Ohio State Universidade como professor assistente em janeiro de 2023. “Mas, neste caso, estamos falando sobre mapear recursos na escala de femtômetros – quadrilionésimos de metro – o tamanho de um próton individual.”
Ainda mais surpreendente, dizem os físicos do STAR, é a observação de um tipo inteiramente novo de interferência quântica que torna suas medições possíveis.
“Nós medimos duas partículas de saída e claramente suas cargas são diferentes – são partículas diferentes – mas vemos padrões de interferência que indicam que essas partículas estão emaranhadas ou em sincronia umas com as outras, embora sejam partículas distinguíveis”, disse o físico de Brookhaven e o STAR colaborador Zhangbu Xu.
Essa descoberta pode ter aplicações muito além do objetivo nobre de mapear os blocos de construção da matéria.
Por exemplo, muitos cientistas, incluindo os premiados com o Prêmio Nobel de Física de 2022, estão tentando aproveitar o emaranhamento – uma espécie de “consciência” e interação de partículas fisicamente separadas. Um dos objetivos é criar ferramentas de comunicação e computadores significativamente mais poderosos do que os existentes hoje. Mas a maioria das outras observações de emaranhamento até o momento, incluindo uma demonstração recente de interferência de lasers com diferentes comprimentos de onda, foram entre fótons ou elétrons idênticos.
“Esta é a primeira observação experimental de emaranhamento entre partículas diferentes”, disse Brandenburg.
O trabalho é descrito em um artigo recém-publicado na Science Advances.
Iluminando os glúons
O RHIC opera como uma instalação do usuário do DOE Office of Science, onde os físicos podem estudar os blocos de construção mais internos da matéria nuclear – os quarks e glúons que compõem prótons e nêutrons. Eles fazem isso esmagando os núcleos de átomos pesados, como o ouro, viajando em direções opostas ao redor do colisor a uma velocidade próxima à da luz. A intensidade dessas colisões entre núcleos (também chamados de íons) pode “derreter” os limites entre prótons e nêutrons individuais, para que os cientistas possam estudar os quarks e glúons como eles existiam no início do universo – antes dos prótons e nêutrons se formarem.
Mas os físicos nucleares também querem saber como os quarks e glúons se comportam dentro dos núcleos atômicos como eles existem hoje – para entender melhor a força que mantém esses blocos de construção juntos.
Uma descoberta recente usando “nuvens” de fótons que cercam os íons velozes do RHIC sugere uma maneira de usar essas partículas de luz para obter um vislumbre do interior dos núcleos. Se dois íons de ouro passam muito próximos um do outro sem colidir, os fótons que cercam um íon podem sondar a estrutura interna do outro.
“Nesse trabalho anterior, demonstramos que esses fótons são polarizados, com seu campo elétrico irradiando para fora do centro do íon. E agora usamos essa ferramenta, a luz polarizada, para visualizar efetivamente os núcleos em alta energia”, disse Xu.
A interferência quântica observada entre o p+ e o p- nos dados recém-analisados permite medir com muita precisão a direção da polarização dos fótons. Isso, por sua vez, permite que os físicos observem a distribuição do glúon tanto ao longo da direção do movimento do fóton quanto perpendicular a ele.
Essa imagem bidimensional acaba sendo muito importante.
“Todas as medições anteriores, nas quais não sabíamos a direção da polarização, mediam a densidade dos glúons como uma média – em função da distância do centro do núcleo”, disse Brandenburg. “Essa é uma imagem unidimensional.”
Todas essas medições fizeram o núcleo parecer muito grande quando comparado com o que foi previsto por modelos teóricos e medições da distribuição de carga no núcleo.
“Com esta técnica de imagem 2D, fomos capazes de resolver o mistério de 20 anos de por que isso acontece”, disse Brandenburg.
As novas medições mostram que o momento e a energia dos próprios fótons se confundem com os dos glúons. Medir apenas ao longo da direção do fóton (ou não saber qual é essa direção) resulta em uma imagem distorcida por esses efeitos de fóton. Mas a medição na direção transversal evita o desfoque do fóton.
“Agora podemos tirar uma foto onde podemos realmente distinguir a densidade dos glúons em um determinado ângulo e raio”, disse Brandenburg. “As imagens são tão precisas que podemos até começar a ver a diferença entre onde estão os prótons e onde estão os nêutrons dentro desses grandes núcleos.”
As novas imagens correspondem qualitativamente às previsões teóricas usando a distribuição de glúons, bem como as medições da distribuição de carga elétrica dentro dos núcleos, dizem os cientistas.
Detalhes das medidas
Para entender como os físicos fazem essas medições 2D, vamos voltar à partícula gerada pela interação fóton-glúon. É chamado de rho e decai muito rapidamente – em menos de quatro septilionésimos de segundo – em p+ e p-. A soma dos momentos desses dois píons dá aos físicos o momento da partícula rho pai – e informações que incluem a distribuição do glúon e o efeito de desfoque do fóton.
Para extrair apenas a distribuição do glúon, os cientistas medem o ângulo entre o caminho do p+ ou p- e a trajetória do rho. Quanto mais próximo esse ângulo estiver de 90 graus, menos desfoque você obterá da sonda de fótons. Ao rastrear píons que vêm de partículas rho movendo-se em uma variedade de ângulos e energias, os cientistas podem mapear a distribuição de glúons em todo o núcleo.
Agora, para a estranheza quântica que torna as medições possíveis – a evidência de que as partículas p+ e p- que atingem o detector STAR resultam de padrões de interferência produzidos pelo emaranhamento dessas duas partículas diferentes com cargas opostas.
Tenha em mente que todas as partículas das quais estamos falando existem não apenas como objetos físicos, mas também como ondas. Como ondulações na superfície de um lago irradiando para fora quando atingem uma rocha, as “funções de onda” matemáticas que descrevem as cristas e vales das ondas de partículas podem interferir para reforçar ou anular umas às outras.
Quando os fótons que cercam dois íons de alta velocidade interagem com os glúons dentro dos núcleos, é como se essas interações realmente gerassem duas partículas rho, uma em cada núcleo. À medida que cada rho decai em um p+ e p-, a função de onda do píon negativo de um decaimento de rho interfere com a função de onda do píon negativo do outro. Quando a função de onda reforçada atinge o detector STAR, o detector vê um p-. A mesma coisa acontece com as funções de onda dos dois píons carregados positivamente, e o detector vê um p+.
“A interferência ocorre entre duas funções de onda das partículas idênticas, mas sem o emaranhamento entre as duas partículas diferentes – o p+ e o p- – essa interferência não se materializaria”, disse Wangmei Zha, colaborador do STAR na Universidade de Ciência e Tecnologia de China, e um dos proponentes originais desta explicação. “Essa é a estranheza da mecânica quântica!”
Os rhos poderiam simplesmente estar emaranhados? Os cientistas dizem que não. As funções de onda das partículas rho se originam a uma distância 20 vezes maior que a distância que poderiam percorrer em seu curto tempo de vida, de modo que não podem interagir umas com as outras antes de decair para p+ e p-. Mas as funções de onda de p+ e p- de cada decaimento rho retêm a informação quântica de suas partículas parentais; seus picos e vales estão em fase, “conscientes um do outro”, apesar de atingirem o detector a metros de distância.
“Se p+ e p- não estivessem emaranhados, as duas funções de onda p+ (ou p-) teriam uma fase aleatória, sem qualquer efeito de interferência detectável”, disse Chi Yang, colaborador do STAR da Shandong University na China, que também ajudou a liderar a análise para este resultado. “Não veríamos nenhuma orientação relacionada à polarização do fóton – ou seríamos capazes de fazer essas medições de precisão”.
Medições futuras no RHIC com partículas mais pesadas e tempos de vida diferentes – e em um Colisor de Íons de Elétrons (EIC) sendo construído em Brookhaven – investigarão distribuições mais detalhadas de glúons dentro de núcleos e testarão outros possíveis cenários de interferência quântica.
Publicado em 22/01/2023 22h48
Artigo original:
Estudo original: