Farklı Parçacıklar Arasındaki İlk Kuantum Dolanıklığı, Atom Çekirdeği İçine Bir Bakış Sağlıyor

Aynı parçacığın pozitif ve negatif yüklü versiyonlarının ilk kez dolanık hale gelmesi, atomların kalplerini daha net haritalamamızı sağlıyor ve daha güçlü iletişim araçlarının kapılarını açıyor.

Atomların çekirdeğini oluşturan nötronlar ve protonlar da kuarklardan oluşur. Ancak, tek başına kuarklar kararsız olacaktır; onları bir arada tutmak için güçlü kuvvetin taşıyıcıları olan gluonlara ihtiyaç duyarlar. Gluonlar, en güçlü mikroskoplarla bile görülemeyecek kadar küçüktür - ancak yine de fotonlarla etkileşerek, pion adı verilen yüklü iki kuarklı parçacıklara bozunan son derece kısa ömürlü rho parçacıkları üretebilirler.

Brookhaven Ulusal Laboratuvarı'ndaki bilim insanları, pozitif ve negatif pionların (π+ ve π-) ortaya çıktığı açıları ve hızları ölçerek, altın ve uranyum atomlarının çekirdekleri içindeki bir gluon dağılımı haritası oluşturdular. Bu haritanın bir atom çekirdeğinin iç işleyişinin en kesin tarifi olduğunu bildiriyorlar.

Eski Brookhaven fizikçisi Dr. Daniel Brandenburg, bir açıklamada, "Bu teknik, doktorların beyinde ve diğer vücut kısımlarında neler olup bittiğini görmek için pozitron emisyon tomografisini (PET taramaları) kullanma şekline benzer." dedi. "Fakat bu durumda, femtometreler ölçeğindeki - metrenin katrilyonda biri, bir protonun boyutu - özellikleri haritalamaktan bahsediyoruz."

Harita, parçacık fizikçilerinin gerçekliğin doğasını daha iyi anlamasını sağlıyor, ancak haritanın yapıldığı yöntem daha da önemli olabilir.

Kuantum dolanıklık, ayrılmış parçacıklar arasında, birinde meydana gelen bir değişikliğin diğerini de etkileyeceği şekilde bir bağlantı sağlar. Dolanıklıktaki büyük ilerlemeler artık sıklıkla gerçekleşse ve hatta Nobel Ödüllerini kazansa da, bunlar daha önce dolanık parçacıkların sayısını veya dolanmanın meydana geldiği mesafeleri artırmayı içeriyordu.

Dolanık parçacıklar genellikle birbirinin aynısı elektronlar veya fotonlardır. Brandenburg, "Bu, farklı parçacıklar arasındaki dolanıklığın ilk deneysel gözlemi." dedi.

Dolanık parçacıkların her ikisi de pion olabilir, ancak zıt yükleri onları birbirinden ayırmayı kolaylaştırır.

Atom çekirdeğinin iç işleyişine ilişkin keşiflerin çoğu, çekirdekleri ışık hızına yakın bir hızla parçalayan parçacık hızlandırıcılarda gerçekleştirilir. Bu çarpışmaların enkazını izlemek, Büyük Patlama'dan kısa bir süre sonra olduğu gibi aşırı koşullar altındaki parçacıkların davranışı hakkında bize çok şey söylese de, bu biraz hayvanat bahçesindeki hayvanların hareketlerini gözlemlemeye ve vahşi doğada nasıl davrandıklarına dair tahminde bulunmaya benzer. Brandenburg ve ortak yazarlar, çekirdeklere doğal ortamlarında yaklaşmaya çalışıyorlar.

Bunu yapmak için, altın ve uranyum çekirdeklerinin, yalnızca birkaç çekirdek genişliği arayla, çarpışmadan, aşırı hızlarda birbirlerinin yanından geçmesini sağladılar. Her çekirdek, manyetik bir alandaki ivmesi tarafından üretilen bir foton bulutu ile çevriliydi. Bir çekirdeğin fotonları, diğerindeki gluonlarla etkileşti.

Bu çevreleyen fotonların polarize olduğunu daha önce göstermiş olan yazarlar, bir eksen sağlayan polarizasyon yönü ile iki boyutlu bir gluon dağılımı haritası üretebildiler. Polarizasyon bilgisinden yoksun olan önceki çabalar, yalnızca her bir gluonun çekirdeğin merkezinden ne kadar uzakta olduğunu ortaya çıkardı. Fizikçiler, bu sonuçları, çekirdeği başka yollarla yürütülen deneylerden ve önerilen teorik modellerden daha büyük yapacak şekilde yanlış yorumlamışlardı.

Brandenburg, "Bu 2D görüntüleme tekniğiyle, bunun neden olduğuna dair 20 yıllık gizemi çözebildik." dedi.

Yazarlar, önceki ölçümlerin fotonun kendi momentumunu ve enerjisini gluonlarınkiyle karıştırdığı sonucuna varıyorlar. Brandenburg, ikisini birbirinden ayırmanın haritaların çok net olmasına izin verdiğini iddia etti; "Görüntüler o kadar kesin ki, protonların nerede olduğu ile nötronların bu büyük çekirdeklerin içinde nerede düzenlendiği arasındaki farkı bile görmeye başlayabiliriz." Ayrıca teorik modellere çok daha iyi uyuyorlar.

Makale birkaç olası açıklama sunsa da, pionların nasıl ve neden dolandığı gizemini koruyor.

Çalışma, Science Advances dergisinde açık erişimle yayınlandı.

Bu içerik IFLSCIENCE’da yayınlanmıştır.