Detektor STAR na srážeči RHIC. Kredit: Brookhaven National Laboratory.

Tak jako má Evropa úžasný srážeč LHC, který je nepřekonatelný v energii svazku i v délce jeho dráhy, v Americe pracuje RHIC, tedy Relativistic Heavy Ion Collider, který drží druhou příčku. Sídlí v New Yorku v Brookhaven National Laborator a spolu s LHC to jsou jediné dva urychlovače, které mohou srazit těžké ionty. V případě RHIC jde o zlato a měď, takže je to jako zhmotnělý sen alchymistů.

Fyzici teď našli nový způsob jak RHIC, který sráží částice a ionty od roku 2000, využít. Tato metoda úzce souvisí s fotony, které sviští kolem urychlovaných iontů zlata a s doposud nevídaným typem entanglementu. Jak zjistili badatelé týmu STAR Collaboration, tyto fotony interagují prostřednictvím kvantových fluktuací s gluony, tedy elementárními částicemi, které zprostředkovávají silnou interakci mezi kvarky.

James Daniel Brandenburg a Zhangbu Xu uvnitř detektoru STAR. Kredit: Brookhaven National Laboratory.

Když se míjejí dva ionty zlata, letící ultrarelativistickou rychlostí, ve vzdálenosti několika průměrů atomů, může foton související s jedním z iontů interagovat s gluony druhého jádra díky páru virtuálního kvarku a antikvarku. V důsledku této interakce vzniká krátkověký vektorový mezon (tj. mezon se spinem s=1), který se téměř ihned rozpadá na dva opačně nabité piony (tj. pí mezony, což jsou skalární mezony se spinem s=0).

Hrátky s piony. Kredit: Brookhaven National Laboratory.

Takto vytvořené piony na srážeči RHIC detekoval impozantní detektor STAR. Když badatelé změřili parametry pionů a jejich dráhy, získali informace o fotonu, který se účastnil studované interakce. Díky následné analýze nakonec zmapovali rozložení gluonů v iontu zlata s větší přesností, než kdy dřív. Jak trefně upozorňuje James Daniel Brandenburg ze STAR Collaboration, jde o postup, který je vlastně podobný medicínskému snímkování pozitronovou emisní tomografií (PET). V tomto případě ale fyzici mapují struktury na škále femtometrů, čili zhruba ve velikosti jednotlivých protonů.

Další člen STAR Collaboration Zhangbu Xu k tomu dodává, že jako pozoruhodný bonus se ukázalo, že pozorované dvojice opačně nabitých pionů vykazují zvláštní interference, které odpovídají tomu, že piony jsou kvantově entanglované. A právě kvantové provázání podle všeho umožnilo zmíněná měření. Podle Brandenburga jde o vůbec první experimentální pozorování kvantového entanglementu mezi nestejnými částicemi.

Výzkum by mohl mít zajímavé důsledky, které sahají daleko za mapování uspořádání gluonů v atomovém jádru. Poptávka po využití kvantového entanglementu je velká, ale entanglement jsme doposud pozorovali většinou jen mezi fotony nebo mezi elektrony, tedy stejnými částicemi.

Video: RHIC Virtual tour

Literatura

Brookhaven National Laboratory 4. 1. 2023.

Science Advances online 4. 1. 2023.