Il team ha studiato le distribuzioni dei gluoni con l’aiuto del Relativistic Heavy-Ion Collider (RHIC) della BNL, che accelera gli ioni pesanti (nuclei elettricamente carichi) fino a raggiungere la velocità della luce.
Utilizzando l’entanglement quantistico, i fisici che lavorano all’esperimento STAR al Brookhaven National Laboratory (BNL) hanno mappato le distribuzioni dei gluoni all’interno dei nuclei atomici con una precisione superiore a quella precedentemente possibile.
Secondo la teoria della cromodinamica quantistica, i gluoni sono mediatori della forza nucleare forte. Questa è l’interazione che lega i quark all’interno di protoni e neutroni e tiene anche protoni e neutroni insieme nei nuclei.
A causa della natura della forza forte, è molto difficile calcolare le proprietà di sistemi nucleari anche molto semplici come singoli protoni e neutroni. Di conseguenza, i fisici hanno una scarsa comprensione di come i gluoni sono distribuiti nella materia nucleare. Ora, i fisici della collaborazione STAR hanno migliorato questa comprensione usando l’entanglement quantistico.
Il team ha studiato le distribuzioni dei gluoni con l’aiuto del Relativistic Heavy-Ion Collider (RHIC) della BNL, che accelera gli ioni pesanti (nuclei elettricamente carichi) fino a raggiungere la velocità della luce.
Recenti esperimenti al collisore hanno rivelato che i nuclei in accelerazione sono circondati da nubi di fotoni che sono polarizzati linearmente in direzioni specifiche rispetto ai nuclei.
La collaborazione STAR ha usato questi fotoni per sondare i gluoni all’interno dei nuclei. Questo è stato fatto spostando leggermente due fasci opposti di nuclei d’oro in modo che non si scontrino. Invece, i nuclei si sfiorano l’un l’altro di pochi raggi nucleari.
I fotoni polarizzati che circondano un nucleo possono fluttuare brevemente in coppie quark-antiquark, che possono quindi interagire con i gluoni nell’altro nucleo mentre passa.
Queste interazioni producono mesoni rho di durata estremamente breve, che decadono rapidamente in una coppia di pioni caricati in modo opposto. Osservando le traiettorie di queste coppie di pioni, il team può calcolare le posizioni dei gluoni nel nucleo.
I due pioni sono in uno stato di entanglement quanto-meccanico e rimangono tali fino a quando non vengono rilevati.
Ciò si traduce in un modello di interferenza nel rivelatore che può essere correlato alla polarizzazione del fotone che originariamente interagiva con il gluone. Ciò fornisce ai ricercatori ulteriori informazioni sulla posizione del gluone all’interno del nucleo.
Il loro esperimento è un po’ come la tomografia ad emissione di positroni (PET), che crea immagini dell’interno del corpo umano usando coppie di fotoni a raggi gamma creati da un processo di decadimento nucleare.
Utilizzando la tecnica, il team ha potuto iniziare a vedere le posizioni di protoni e neutroni all’interno di un nucleo osservando la distribuzione dei gluoni.
Le loro osservazioni corrispondevano sia alle previsioni teoriche della struttura nucleare che alle misurazioni sperimentali utilizzando altre tecniche.
Con ulteriori perfezionamenti della tecnica, combinati con la prossima generazione di collisori di ioni pesanti, la collaborazione STAR spera che i fisici saranno in grado di creare immagini ancora più dettagliate degli interni dei nuclei.
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