นักวิทยาศาสตร์ของรัฐบาลค้นพบความยุ่งเหยิงของควอนตัมชนิดใหม่ในการประดิษฐ์

ภาพ: ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Brookhaven

นักวิทยาศาสตร์ที่ Brookhaven Nationwide Laboratory ได้ค้นพบการพัวพันทางควอนตัมรูปแบบใหม่ที่ทำให้อนุภาคเชื่อมต่อกันอย่างแปลกประหลาดแม้ในระยะทางไกลของจักรวาล การค้นพบนี้ทำให้พวกเขาได้เห็นโลกที่แปลกประหลาดภายในอะตอมซึ่งเป็นส่วนประกอบสำคัญของสสารอย่างไม่เคยปรากฏมาก่อน

การวิจัยที่เหลือเชื่อช่วยไขปริศนาอันยาวนานเกี่ยวกับนิวเคลียสของอะตอมที่มีอนุภาคที่เรียกว่าโปรตอนและนิวตรอน และอาจช่วยให้เข้าใจหัวข้อต่าง ๆ ตั้งแต่การคำนวณด้วยควอนตัมไปจนถึงฟิสิกส์ดาราศาสตร์

การค้นพบที่น่าตื่นเต้นนี้เกิดขึ้นที่ Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) ซึ่งเป็นโรงงานเฉพาะทางในบรู๊คฮาเวน นิวยอร์ก ซึ่งสามารถเร่งอะตอมที่มีประจุซึ่งเรียกว่าไอออนให้มีความเร็วเกือบเท่าแสง เมื่อไอออนเหล่านี้ชนกัน—หรือแม้แต่ทะลุผ่านกัน—ปฏิสัมพันธ์ของไอออนเหล่านี้เผยให้เห็นการทำงานภายในของอะตอม ซึ่งอยู่ภายใต้กฎแปลก ๆ ของกลศาสตร์ควอนตัม

สิ่งแปลกประหลาดทุกประเภทเกิดขึ้นในอาณาจักรเล็ก ๆ แห่งนี้ แต่โดยเฉพาะอย่างยิ่งการพัวพันของควอนตัมนั้นแปลกมาก อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ตั้งชื่อมันว่า “การกระทำที่น่ากลัวในระยะไกล” ปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นเมื่ออนุภาคพันกัน ทำให้คุณสมบัติของอนุภาค (เช่น สปินหรือโมเมนตัม) ประสานกัน แม้ว่าพวกมันจะอยู่ห่างจากกันหลายพันล้านปีแสง การพัวพันของควอนตัมได้รับการพิสูจน์มาแล้วนับครั้งไม่ถ้วน อย่างไรก็ตาม อนุภาคที่พันกันมักจะอยู่ในกลุ่มเดียวกันและมีประจุเท่ากัน เช่น โฟตอนที่ไม่มีประจุหรืออิเล็กตรอนที่มีประจุลบ

ตอนนี้ เป็นครั้งแรกที่นักวิทยาศาสตร์ที่ Brookhaven สามารถจับรูปแบบสัญญาณรบกวนที่เกิดจากการพัวพันกันของอนุภาคสองอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าต่างกัน เป็นสิ่งประดิษฐ์ที่เปิดหน้าต่างใหม่สู่การตกแต่งภายในอันลึกลับของอะตอมที่ประกอบกันเป็นสสารที่มองเห็นได้ ตามจักรวาล การศึกษาที่เผยแพร่เมื่อวันพุธ ข้างใน ความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์.

Daniel Brandenburg ศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์ที่ Ohio State College และหนึ่งในผู้เขียนงานวิจัยชิ้นใหม่กล่าวว่า “ในอดีต ไม่เคยมีการวัดการแทรกสอดระหว่างอนุภาคที่แยกความแตกต่างได้” “การค้นพบนี้; แอปพลิเคชันคือเราใช้เพื่อทำฟิสิกส์นิวเคลียร์

“ในทางหนึ่ง ผมไม่ได้พยายามหาอะไรที่เป็นพื้นฐานเกี่ยวกับกลศาสตร์ควอนตัมเลยด้วยซ้ำ” เขากล่าวต่อ “มันเป็นเรื่องน่าประหลาดใจมากสำหรับฉันเมื่อเรารู้ว่ามีบางสิ่งที่น่าสนใจจริงๆ เกิดขึ้นที่นี่”

บรันเดินบวร์กและเพื่อนร่วมงานบรรลุเป้าหมายนี้ด้วยความช่วยเหลือของเครื่องตรวจจับที่ละเอียดอ่อนที่ RHIC ที่เรียกว่า Solenoidal Tracker หรือ STAR ซึ่งจับปฏิกิริยาระหว่างไอออนทองคำที่มีความเร็วถึงเกณฑ์ของความเร็วแสง เมฆโฟตอน อนุภาคที่นำแสงมาล้อมรอบไอออนและมีปฏิสัมพันธ์กับอนุภาคอีกประเภทหนึ่งที่เรียกว่ากลูออน ซึ่งยึดนิวเคลียสของอะตอมไว้ด้วยกัน

การเผชิญหน้ากันระหว่างโฟตอนและกลูออนเหล่านี้เริ่มต้นห่วงโซ่ของเหตุการณ์ที่ในที่สุดก็สร้างอนุภาคใหม่สองอนุภาคที่เรียกว่า pions ซึ่งมีประจุตรงข้ามกัน อันหนึ่งเป็นบวกและอีกอันเป็นลบ เมื่อ pions เหล่านี้มุ่งหน้าไปยังเครื่องตรวจจับ STAR เครื่องมือที่มีความแม่นยำจะวัดคุณสมบัติหลักบางอย่างของมัน เช่น ความเร็วและมุมของการกระแทก ซึ่งจากนั้นจะใช้ในการตรวจสอบขนาด รูปร่าง และการจัดเรียงตัวของกลูออนภายในนิวเคลียสของอะตอมด้วยความแม่นยำที่มี ไม่เคยประสบความสำเร็จมาก่อน

Brandenburg อธิบายว่า “มันเหมือนกับกล้องจุลทรรศน์ในแง่ที่คุณใช้โฟตอนส่องดูอะไรบางอย่าง” “ในกรณีนี้ เรากำลังใช้โฟตอนพลังงานสูงมาก ซึ่งความยาวคลื่นสั้นมากจนเราสามารถมองเห็นด้านในของอะตอมได้”

ก่อนหน้านี้ นักวิทยาศาสตร์เคยถ่ายภาพนิวเคลียสของอะตอมที่พลังงานต่ำกว่า แต่ความพยายามที่จะศึกษาโครงสร้างเหล่านี้ที่พลังงานสูงกว่ามักจะให้ผลลัพธ์ที่น่าประหลาดใจเสมอ ตามแบบจำลอง นิวเคลียสในการทดลองเหล่านี้ดูใหญ่กว่าที่ควรจะเป็นมาก ซึ่งทำให้นักวิทยาศาสตร์งงงวยมานานหลายทศวรรษ

ตอนนี้ การทำงานร่วมกันของ STAR ได้ไขปริศนานี้ด้วยการตรวจจับเอฟเฟกต์การเบลอที่เกี่ยวข้องกับโฟตอนในการทดลอง โดยพื้นฐานแล้ว การศึกษาที่ผ่านมาได้จับภาพนิวเคลียสหนึ่งมิติที่ไม่ได้อธิบายถึงรูปแบบที่สำคัญ เช่น ทิศทางโพลาไรเซชันในโฟตอน งานใหม่นี้รวมถึงข้อมูลโพลาไรเซชันนี้ ซึ่งช่วยให้ Brandenburg และเพื่อนร่วมงานสามารถตรวจสอบนิวเคลียสจากสองมุม ขนานและตั้งฉากกับการเคลื่อนที่ของโฟตอน และสร้างมุมมองสองมิติที่ตรงกับการคาดการณ์ทางทฤษฎี

ยิ่งไปกว่านั้น ทีมงานยังสามารถระบุตำแหน่งคร่าวๆ ของอนุภาคมูลฐาน เช่น โปรตอนและนิวตรอนในนิวเคลียส ตลอดจนการกระจายตัวของกลูออน นอกจากนี้ยังนำเสนอวิธีใหม่ในการไขปริศนาอันยาวนานเกี่ยวกับพฤติกรรมของอะตอมที่มีพลังงานสูง

“เมื่อคุณมองลึกเข้าไปในนิวเคลียส ส่วนต่างๆ ของนิวเคลียสที่มีพลังงานน้อยลงเรื่อยๆ สิ่งเหล่านี้มีความสำคัญมากต่อวิธีการที่นิวเคลียสรวมตัวกัน แต่จริงๆ แล้วเราไม่รู้อะไรมากเกี่ยวกับส่วนนั้นของนิวเคลียส” แบรนเดนบูร์กกล่าว . คุณไม่รู้จริงๆว่ามันเป็นอย่างไร “

“การวัดเพิ่มเติมด้วยความแม่นยำสูงจะพร้อมให้คำอธิบายเกี่ยวกับการพึ่งพาพลังงานนี้และสิ่งที่หัวใจของนิวเคลียสกำลังทำในระดับต่างๆ เหล่านี้” เขากล่าวเสริม

จนถึงจุดนี้ Brandenburg หวังว่าจะทำซ้ำเทคนิคนี้และเวอร์ชันของเทคนิคนี้ที่ RHIC และสถานที่อื่นๆ เช่น Massive Hadron Collider เพื่อเปิดเผยรายละเอียดที่ซ่อนอยู่ภายในนิวเคลียสของอะตอม

การดูอะตอมพลังงานสูงสามารถช่วยนักวิทยาศาสตร์แก้ปัญหาที่ยากที่สุดในทางวิทยาศาสตร์ได้ รวมถึงความลึกลับอันยิ่งใหญ่ของการที่โลกควอนตัมซึ่งอยู่ภายใต้กฎฟิสิกส์คลาสสิกที่คุ้นเคยมากขึ้นสามารถอยู่ร่วมกับความเป็นจริงของเราได้อย่างไร นอกจากนี้ยังมีการใช้งานจริง โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับควอนตัมคอมพิวเตอร์ ซึ่งเป็นเทคโนโลยีที่มีจุดมุ่งหมายเพื่อปฏิวัติการใช้คอมพิวเตอร์โดยใช้กฎแปลก ๆ ของโลกควอนตัม

“การดูนิวเคลียสที่แตกต่างกันและดูกระบวนการนี้ด้วยความแม่นยำมากขึ้น เราสามารถเริ่มเรียนรู้รายละเอียดได้มากขึ้น” บรันเดนบูร์กกล่าวสรุป “สิ่งที่เรากำลังทำอยู่นี้เป็นการพิสูจน์แนวคิด แต่ยังมีโอกาสอีกมากมาย”