Los físicos del Laboratorio Nacional de Brookhaven anuncian que han logrado mapear con mucha precisión la disposición de las partículas elementales ubicadas en el corazón de los núcleos atómicos. Su trabajo se basa en una nueva forma de utilizar el colisionador de iones pesados relativistas (RHIC) y un nuevo tipo de entrelazamiento cuántico nunca antes visto.
Un núcleo atómico está formado por protones y neutrones, que están formados por partículas elementales, quarks, unidas entre sí por gluones. A través de una serie de fluctuaciones cuánticas, los fotones interactúan con los gluones, creando una partícula intermedia (una «rho») que decae inmediatamente en dos «piones» cargados (o mesones pi), denominados π+ y π-. La velocidad y los ángulos a los que estas partículas π+ y π- golpean el detector STAR en RHIC proporcionan información que permite un mapeo muy preciso de la disposición de los gluones en el núcleo.
» Esta técnica es similar a cómo los médicos usan la tomografía por emisión de positrones (PET) para ver lo que sucede dentro del cerebro y otras partes del cuerpo. », explica James Daniel Brandeburgo, miembro de la colaboración STAR. La diferencia es que el objetivo aquí es mapear las características en la escala del femtómetro (es decir, 10-15 metros)! Los investigadores no solo obtuvieron una mirada única dentro de los átomos, sino que también fueron testigos de un nuevo tipo de entrelazamiento entre las partículas π+ y π-.
Una imagen 2D de la distribución de gluones.
El RIC (Colisionador de iones pesados relativistas) es un acelerador de partículas dedicado al estudio de colisiones entre iones pesados (cobre, oro, uranio, etc.) a velocidades relativistas. Fue diseñado esencialmente para estudiar la forma primordial de la materia (aquella que existió al comienzo del Universo), pero también puede producir colisiones entre protones para explorar su estructura. Varios detectores diferentes, incluido STAR, le permiten registrar los resultados de las colisiones.
Para estudiar las partículas elementales, los científicos hacen colisionar núcleos de átomos pesados, moviéndose en direcciones opuestas alrededor del colisionador a una velocidad cercana a la de la luz. La intensidad de las colisiones es tal que pueden «fundir» los límites entre protones y neutrones individuales, exponiendo sus componentes elementales: quarks y gluones.
Pero los físicos nucleares también quieren saber cómo se comportan los quarks y los gluones y cómo se organizan dentro de los núcleos atómicos para formar protones y neutrones.
Oro, trabajo reciente de la colaboración STAR la investigación de las colisiones de fotones polarizados sugirió una forma de utilizar estas partículas de luz para obtener información sobre el interior de los núcleos. » Demostramos que estos fotones están polarizados, su campo eléctrico irradia desde el centro del ion. Y ahora estamos usando esta herramienta, la luz polarizada, para obtener imágenes de núcleos de alta energía de manera efectiva. dice Zhangbu Xu, físico de Brookhaven Lab y miembro de la colaboración STAR.
Hasta ahora, los científicos no tenían forma de saber la dirección de polarización de los fotones. Por lo tanto, la densidad de gluones medida fue un promedio, calculado en función de la distancia desde el centro del núcleo. Pero la interferencia cuántica observada entre las partículas π+ y π- hace posible medir la dirección de polarización con mucha precisión. Esto permite a los físicos examinar la distribución de gluones en dos dimensiones: a lo largo de la dirección del movimiento del fotón, pero también perpendicular a él.
El primer enredo entre diferentes partículas.
Si bien las mediciones anteriores daban la impresión de que el núcleo era muy grande en comparación con lo que predijeron los modelos teóricos y las mediciones de la distribución de carga en el núcleo, esta nueva imagen 2D ha ayudado a arrojar luz sobre este misterio. Resulta que el impulso y la energía de los propios fotones se fusionan con los de los gluones. Así, la medida unidimensional dio necesariamente un resultado sesgado por el efecto de los fotones.
Concretamente, la suma de los momentos de los dos piones da el momento de su partícula rho madre y otra información que incluye la distribución de gluones y el efecto de interferencia de los fotones. Para deducir la distribución de los gluones, los científicos miden el ángulo entre la trayectoria de π+ o π- y la de la partícula rho. Cuanto más cerca esté este ángulo de 90°, menor será el efecto fotónico. Al rastrear los piones de partículas rho que se mueven en diferentes ángulos y energías, los científicos pudieron mapear la distribución de gluones en todo el núcleo.
» Ahora podemos tomar una imagen donde podemos distinguir la densidad de gluones en un ángulo y radio determinados. Las imágenes son tan nítidas que incluso podemos comenzar a ver la diferencia entre dónde están los protones y dónde están los neutrones dentro de estos grandes núcleos. », se regocija Brandeburgo. Y, por supuesto, estas imágenes están más en línea con las predicciones teóricas.
Pero esto solo es posible gracias a que las partículas π+ y π-, aunque tienen cargas diferentes, están entrelazadas. » Esta es la primera observación experimental de entrelazamiento entre diferentes partículas. “, enfatiza el físico.
Cuando dos iones se tocan sin chocar, los fotones que los rodean interactúan con los gluones: es como si estas interacciones generaran dos partículas rho (una en cada núcleo). A medida que cada partícula rho se descompone en π+ y π-, la función de onda piónica negativa de una interfiere con la función de onda piónica negativa de la otra. Cuando la función de onda mejorada resultante golpea el detector STAR, ve un π-. Lo mismo ocurre con las funciones de onda de los dos π+.
» La interferencia ocurre entre dos funciones de onda de partículas idénticas, pero sin el enredo entre las dos partículas diferentes, π+ y π-, esta interferencia no se materializaría. dice Wangmei Zha, colaborador de STAR en la Universidad de Ciencia y Tecnología de China. Si las dos partículas no estuvieran entrelazadas, las dos funciones de onda tendrían una fase aleatoria y no interferirían; por lo tanto, los investigadores no pudieron determinar la dirección de polarización de los fotones y, por lo tanto, no pudieron realizar las mediciones.
Los próximos experimentos llevados a cabo en el RHIC, así como en el colisionador de electrones e iones actualmente en construcción, brindarán la oportunidad de explorar con más detalle la distribución de gluones dentro de los núcleos atómicos y probar otros posibles escenarios de interferencia cuántica.