Dạng rối lượng tử mới giúp các nhà khoa học nhìn vào bên trong hạt nhân
Các nhà khoa học hạt nhân đã tìm thấy một cách mới để sử dụng Vành va chạm ion nặng tương đối (RHIC) – một máy gia tốc hạt tại Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven của Bộ Năng lượng Mỹ (DOE) – để nhìn vào hình dạng và các chi tiết bên trong hạt nhân nguyên tử. Phương pháp này dựa vào các hạt ánh sáng xung quanh các ion vàng khi chúng di chuyển quanh máy gia tốc và một dạng mới của rối lượng tử chưa bao giờ được quan sát trước đây.
Thông qua một loạt thăng giáng lượng tử, các hạt ánh sáng (hay còn gọi là các photon) tương tác với các gluon – các hạt giống như một loại keo giữ các hạt quark lại với nhau thành các hạt tổ hợp gồm các proton và neutron của hạt nhân. Những tương tác này tạo ra một hạt trung gian nhanh chóng phân rã thành hai pion (π) mang điện tích khác nhau. Bằng việc đo đạc vận tốc và các góc tại đó các hạt π+ và π– va đập vào máy dò STAR của RHIC, các nhà khoa học có thể dò lại để thu về thông tin cốt lõi về photon – và sử dụng để lập bản đồ sắp xếp các gluon trong các hạt nhân với độ chính xác cao hơn trước đây.
“Kỹ thuật này tương tự với cách các bác sĩ sử dụng phương pháp chụp cắt lớp phát xạ (PET scans) để xem điều gì đang diễn ra bên trong não và các bộ phận khác của cơ thể”, nhà vật lý từng làm ở Brookhaven James Daniel Brandenburg, thành viên của nhóm hợp tác STAR hiện đang làm việc tại trường đại học bang Ohio kể từ tháng 1/2023. “Nhưng trong trường hợp này, chúng ta nói về việc lập bản đồ về đặc điểm dựa trên quy mô femtometers – tương đương 10−15 mét – kích thước của một proton”.
Thậm chí còn ngạc nhiên hơn, ông nói, là quan sát thấy một dạng hoàn toàn mới của giao thoa lượng tử, điều khiến cho các đo đạc trở nên có thể. “chúng tôi đo đạc hai hạt được giải phóng ra ngoài và thấy rõ ràng là chúng mang điện tích khác nhau – chúng là những hạt khác nhau – và chúng tôi thấy các mẫu hình tương quan chỉ dấu các hạt đó rối với nhau, hoặc trong sự đồng bộ với hạt khác, ngay cả chúng là những hạt có thể phân biệt được”, nhà vật lý của Brookhaven và thành viên của STAR là Zhangbu Xu nói.
Đó là khám phá có thể có nhiều ứng dụng hữu hiệu bên ngoài phạm vi lập bản đồ về các khối cơ bản của vật chất này.
Ví dụ, nhiều nhà khoa học, bao gồm những người được trao giải Nobel Vật lý 2022, đang tìm kiếm cách khai thác đặc điểm rối – một loại “nhận biết” và tương tác của các hạt ở khoảng cách xa nhau. Một mục tiêu là tạo ra các công cụ truyền tin và máy tính hiệu quả một cách đáng kể những công cụ và máy tính hiện có ngày nay. Nhưng phần lớn các quan sát rối lượng tử đã có, bao gồm một thí nghiệm giao thoa các tia laser gần đây với những bước sóng khác nhau, là giữa các photon hoặc các electron đã được nhận diện.
“Đây là quan sát thực nghiệm lần đầu tiên về hiện tượng rối giữa các hạt khác nhau”, Brandenburg nói.
Công trình này được miêu tả chi tiết trong một bài báo xuất bản trên Science Advances. 1
Chiếu một tia sáng lên các gluon
RHIC được vận hành như một cơ sở hạ tầng của Văn phòng khoa học DOE, nơi các nhà vật lý có thể nghiên cứu phần lớn cấu trúc của các khối vật chất hạt nhân – các hạt quark và các gluon tạo thành các proton và các neutron. Họ làm điều này bằng việc cho va chạm các hạt nhân của nguyên tử nặng như vàng quanh vành va chạm với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng. Cường độ va chạm bên trong hạt nhân (hay còn gọi là các ion) có thể làm “tan chảy” các biên giới giữa các proton và neutron để các nhà nghiên cứu có thể tìm hiểu về các quark và gluon như khi chúng tồn tại ở vũ trụ sớm – trước khi proton và neutron được hình thành.
Nhưng các nhà vật lý hạt nhân muốn biết cách các quark và gluon hành xử trong các hạt nhân nguyên tử như chúng tồn tại ngày nay – để hiểu sâu sắc hơn lực giữ các khối cơ bản này lại với nhau.
Một khám phá gần đây sử dụng “các đám mây” photon ở quanh các ion chuyển động ở RHIC để đề xuất một cách sử dụng các hạt ánh sáng nhìn vào bên trong hạt nhân. Liệu hai ion vàng khi di chuyển qua nhau ở khoảng cách cực gần nhưng không đủ để va chạm thì các photon quanh một ion có thể đủ “nhìn” vào cấu trúc bên trong của hạt kia hay không?
“Trong một nghiên cứu trướcđây, chúng tôi đã chứng tỏ là các hạt photon đó đã bị phân cực, với phát xạ điện trường hướng ra từ tâm của ion. Và hiện tại chúng tôi sử dụng công cụ tia phân cực để chụp ảnh một cách hiệu quả hạt nhân tại mức năng lượng cao”, Xu nói.
Giao thoa lượng tử được quan sát giữa π+ và π– ở dữ liệu mới được phân tích gần đây có thể đem lại khả năng đo đạc hướng phân cực của các photon một cách vô cùng chính xác. Điều này giúp các nhà vật lý nhìn vào sự phân bố gluon theo cả hướng chuyển động của photon và vuông góc với nó.
Hình ảnh hai chiều đó có vai trò hết sức quan trọng.
“Tất cả những đo đạc trong quá khứ, vốn chưa cho biết hướng phân cực, là đo lường mật độ của các gluon ở mức độ trung bình – như một hàm của khoảng cách từ tâm của các hạt nhân”, Brandenburg nói. “Đó chỉ là hình ảnh một chiều”.
Những đo lường đó đều được khiến cho các hạt nhân trông quá lớn khi so sánh với những gì do các mô hình lý thuyết dự đoán và đo đạc phân bố của điện tích trong các hạt nhân. “Với kỹ thuật hình ảnh hai chiều, chúng tôi có thể giải quyết bí ẩn hai mươi năm về việc tại sao điều này xảy ra”, Brandenburg nói.
Những đo đạc mới cho thấy động năng và năng lượng của các photon khi xoắn với các gluon. Việc đo lường chỉ dọc theo hướng photon (hoặc không biết hướng đó là gì) thu được trong một bức ảnh bị biến dạng bởi hiệu ứng của các photon. Nhưng việc đo lường trong phương ngang để tránh làm nhòe photon.
“Hiện tại thì chúng tôi có thể chụp một bức ảnh mà chúng tôi có thể phân biệt được thực sự mật độ của các gluon tại một góc và bán kính cho trước”, Brandenburg nói. “Những hình ảnh đó chính xác đến mức chúng tôi thậm chí còn có thể bắt đầu thấy được sự khác biệt giữa nơi các proton và nơi các neutron được đặt vào bên trong các hạt nhân lớn”.
Những bức ảnh mới tương đồng với các dự đoán lý thuyết về phân bố gluon cũng như đo đạc phân bố điện tích trong các hạt nhân, các nhà khoa học nói.
Các chi tiết đo lường
Để hiểu về cách các nhà vật lý làm được các đo lường hai chiều, hãy trở lại với việc các hạt được tạo ra từ tương tác photon-gluon. Nó được gọi là một rho, và phân rã vô cùng nhanh – trong khoảng thời gian nhỏ hơn bốn septillionths của một giây (một septillionths bằng 10–24 giây) – thành π+ và π–. Tổng xung lượng của hai pion đó đem lại cho các nhà vật lý xung lượng của hạt bố mẹ rho– và đem lại thông tin bao gồm phân bố gluon và hiệu ứng nhòe photon.
Để phân tách ra phân bố gluon, các nhà khoa học đo đạc góc giữa con đường của π+ hoặc π– và quỹ đạo của rho. Góc đó càng gần với 90 độ thì càng bớt nhòe. Bằng việc theo các pion từ các hạt rho chuyển động ở phạm vi góc và năng lượng đó, các nhà khoa học có thể vẽ bản đồ phân bố của gluon khắp các hạt nhân.
Giờ thì sự dị thường lượng tử khiến cho việc đo đạc trở nên có rheer – bằng chứng là các hạt π+ và π– mà máy dò STAR ghi nhận được từ các mẫu giao thoa được tạo ra bởi sự rối của các hạt không giống nhau và tích điện trái dấu.
Hãy nhớ là tất cả các hạt chúng ta đang đề cập tới không chỉ tồn tại như các thực thể vật lý mà còn tồn tại dưới dạng sóng. Giống như những gợn sóng trên bề mặt của một bể nước lan ra khi một hòn đá ném xuống, “hàm sóng” toán học miêu tả sự lên xuống của các sóng hạt khi giao thoa để dung nạp hoặc loại bỏ vật khác.
Khi các photon xung quanh hai ion chuyển động gần như trượt tương tác với các gluon bên trong hạt nhân, nó như các tương tác trên thực tế tạo ra hai hạt rho. Khi mỗi hạt rho phân rã thành π+ và π–, hàm sóng của pion âm từ một rho phân rã giao thoa với hàm sóng của pion âm từ hath khác. Khi hàm sóng tăng cường “gõ” vào máy dò STAR, máy dò sẽ thấy một π–. Điều tương tự xảy ra với các hàm sóng của hai pon dương, và máy dò thấy một π+.
“Sự giao thoa giữa các hàm sóng của các hạt đã biết nhưng không có rối giữa các hạt không tương đồng – π+ và π– – sự giao thoa có thể không được vật chất hóa”, Wangmei Zha, một thành viên của STAR tại trường đại học KH&CN Trung Quốc. “Đây là sự kỳ lạ của cơ học lượng tử”.
Có thể là các hạt rho đơn giản là ở trạng thái rối? Nhà khoa học nói không. Các hàm sóng của hạt rho nguyên thủy tại một khoảng cách xa gấp 20 lần khoảng cách chúng có thể di chuyển trong khoảng thời gian tồn tại ngắn ngủi của chúng, vì vậy chúng có thể tương tác nhau trước khi bị phân rã thành π+ và π–. Nhưng các hàm sóng của π+ và π– từ mỗi phân rã rho vẫn giữ được thông tin lượng tử của các hạt cha mẹ chúng; những lên xuống của sóng vẫn còn trong pha này, “nhận biết lẫn nhau”, bất chấp va đập vào máy dò cách chúng hàng mét.
“Nếu các π+ và π– không rối, hai hàm sóng π+ (hoặc π–) có thể có pha ngẫu nhiên, không có bất kỳ hiệu ứng giao thoa có thể dò được nào”, Chi Yang, một thành viên của nhóm hợp tác STAR từ trường đại học Sơn Đông ở Trung Quốc, người phụ trách nhóm phân tích dữ liệu. “Chúng ta sẽ không thể thấy bất cứ định hướng nào liên quan đến phân cực của photon – hoặc có thể tạo ra đo dạc chính xác”.
Những đo đạc tương lai tại RHIC với các hạt nặng và có thời gian sống khác nhau – và tại một máy gia tốc Electron-Ion (EIC) đang được xây dựng tại Brookhaven – sẽ chứng tỏ những phân bố chi tiết hơn của gluon bên trong các hạt nhân và kiểm tra những kịch bản giao thoa lượng tử có thể khác.
Anh Vũ tổng hợp
Nguồn:
https://phys.org/news/2023-01-entanglement-scientists-nuclei.html
https://www.sciencedaily.com/releases/2022/08/220831113651.htm
—————————————-
1. https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq3903
