Újfajta részecske-összefonódást fedeztek fel

További Tech-Tudomány cikkek

Fizikusok részecskék közötti eddig nem ismert kvantum-összefonódást fedeztek fel az Egyesült Államok energiaügyi minisztériumának Brookhaven kutatólaboratóriumában. Az eredmény a Brookhaven részecskegyorsítójában, a nehézionokat relativisztikus sebességgel ütköztető RHIC-ben született. Az itt folyó tudományos munka egyik fő mozzanataként a fényhez közelítő sebességre gyorsított arany atomokat ütköztetnek, hogy megismerjék, milyen volt az anyag a világegyetem kezdete, az ősrobbanást követő körülmények között.

Az összefonódás jelenségéről Albert Einstein, Boris Podolsky és Nathan Rosen írt több dolgozatot 1935-ben. Lényege, hogy ha egyszerre keletkeznek, vagy egyéb kölcsönhatásba lépnek, a kvantumrészecskék létezése téridőtől függetlenül összekapcsolódik. Tulajdonságaik, például polarizációjuk vagy spinjük, összefüggnek, és kiegészítik (ha úgy tetszik, kioltják) egymást. Az ilyen részecskepárok nem vizsgálhatók egymástól függetlenül, mivel ha az egyiket megmérjük, a hullámfüggvény-összeomlásával, megszűnik a kvantumrendszer.

Einstein ezt kísérteties távolhatásnak nevezte, és mivel ez az egyik pont, ahol a kvantummechanika ellentmond a klasszikus fizika elméleteinek és tapasztalatainak, úgy vélte, hogy a kvantummechanika nem nyújt teljes képet a valóságról.

Az egymástól akár milliárd fényévnyi távolságban is szoros kapcsolatban álló részecskék gondolata máig nagyon izgatja a tudományt. Kérdés volt, hogy megoldhatja-e egyik égető problémánkat, és lehetővé teszi-e a fénynél gyorsabb kommunikációt – de az elmélet és gyakorlat azt mutatja, hogy ez még kvantumtrükkel is lehetetlen.

Sokféle elméleti megközelítés létezik, olyan is van, ami szerint a hullámfüggvény-összeomlás nem egy létező dolog, az azonban biztos, hogy a részecskék korrelációját rengeteg kísérlettel (fotonokon, neutrinókon, elektronokon, és szénatomokból épített molekuláris gömbökön is) igazolták. Ha az információ fénynél gyorsabb mozgatására nem is, de kvantumszámítógép építésére azért még jó lehet a jelenség.

Csörgetik az aranyakat

Az RHIC-ben kiderült, hogy nemcsak abból lehet sokat tanulni, ha aranyionokat csapnak egymásnak, de abból is, ha ütközés nélkül, nagyon közel haladnak el egymás mellett. A felgyorsított atomokat fotonok felhője veszi körül, amelyek közül több kölcsönhatásba lép a szemben haladó atom belsejében található gluonokkal. Ez a kölcsönhatás pionoknak nevezett részecskéket hoz létre. A pionokat a részecskegyorsító különleges detektora, a STAR érzékeli.

A kutatók a pionok sebessége és iránya alapján több megállapításra jutottak. Egyrészt bepillantást kaptak az atom belsejébe, másrészt a részecskék olyan összefonódást mutatnak, amilyet eddig még nem láttak. A pionok ugyanis ellentétes töltésű (pozitív és negatív) párokban keletkeznek, a detektorban mégis összefonódást mutató interferencia mintában jelennek meg. Eddig csak azonos töltésű részecskék összefonódását ismertük: például elektronokét, vagy töltés nélküli fotonokét.

Még nem volt olyan mérés, amiben megkülönböztethető részecskék közös interferenciát mutatnak. Ez a felfedezés, ezt használjuk magfizikai kutatásra

– mondta a kutatást vezető Daniel Brandenburg professzor a Motherboardnak.

Brandenburgék a jelenséget lényegében mikroszkópként használják az atomok belsejének vizsgálatára, hogy pontosabb képet kapjanak arról, hogy hogyan helyezkedik el az atommag és az atomot összetartó gluonok. Korábban már vizsgálták az atomok belsejét alacsonyabb energiáknál, ami meglepő eredményeket produkált: az atommagok jóval nagyobbnak tűntek, mint amilyennek a modellek szerint gondolták őket. Ezt a problémát ugyancsak most oldották meg: a fotonok viselkedéséből fakadó elmosódás okozta.

A pionok segítségével nem csak a magot látják, de nagy vonalakban látják a protonok és neutronok elhelyezkedését is. A bepillantás nem csak azért fontos, mert megtudjuk, hogyan jött létre az anyag az ősrobbanásban, hanem azért is, mert az atom az egyik kapu, ami összeköti a kvantumfizikát a klasszikus fizikával.

A STAR kísérletben magyarok, az ELTE kutatói is dolgoznak, feladatuk az adatfelvételtől a detektorszimuláción át az adatok elemzéséig terjed. Bár ezen a konkrét analízisen nem dolgoztak, a csoport vezetője részt vett a cikk kísérleten belüli diszkussziójában.

(ELTE, New Atlas, Phys.org, Vice)

(Borítókép: Az Egyesült Államok energiaügyi minisztériumának Brookhaven kutatólaboratóriuma 2000. június 14-én. Fotó: Liaison / Getty Images)