Neue Methode lässt Physiker Details im Inneren von Atomkernen ‘sehen’

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Die neuartige Methode, die von Kernphysikern am STAR-Detektor des Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) entwickelt wurde, beruht auf Lichtteilchen, die Goldionen umgeben, während sie durch den Collider rasen, und auf einer neuen Art von Quantenverschränkung, die noch nie zuvor gesehen wurde.

Der STAR-Detektor am Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) funktioniert wie eine riesige 3D-Digitalkamera, um Teilchen zu verfolgen, die aus Teilchenkollisionen im Zentrum des Detektors austreten. Bildnachweis: Brookhaven National Laboratory.

Der STAR-Detektor am Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) funktioniert wie eine riesige 3D-Digitalkamera, um Teilchen zu verfolgen, die aus Teilchenkollisionen im Zentrum des Detektors entstehen. Bildnachweis: Brookhaven National Laboratory.

Durch eine Reihe von Quantenfluktuationen treten Photonen in Wechselwirkung mit Gluonen – leimähnlichen Teilchen, die die Quarks in den Protonen und Neutronen der Atomkerne zusammenhalten.

Bei diesen Wechselwirkungen entsteht ein Zwischenteilchen, das schnell in zwei unterschiedlich geladene Pionen (π) zerfällt.

Durch die Messung der Geschwindigkeit und des Winkels, in dem diese π+ und π Teilchen auf den STAR-Detektor des RHIC treffen, können die Kernphysiker der STAR-Kollaboration zurückverfolgen, um entscheidende Informationen über das Photon zu erhalten – und diese nutzen, um die Anordnung der Gluonen innerhalb des Kerns mit höherer Präzision als je zuvor zu kartieren.

“Diese Technik ist vergleichbar mit der Art und Weise, wie Ärzte die Positronen-Emissions-Tomographie (PET-Scans) einsetzen, um zu sehen, was im Gehirn und in anderen Körperteilen vor sich geht”, sagt Dr. James Daniel Brandenburg, Mitglied der STAR Collaboration und Physiker am Brookhaven National Laboratory und der Ohio State University.

“Aber in diesem Fall geht es um die Kartierung von Merkmalen in der Größenordnung von Femtometern – Billiardstel Metern – der Größe eines einzelnen Protons.”

Noch verblüffender ist die Beobachtung einer völlig neuen Art von Quanteninterferenz, die ihre Messungen möglich macht.

“Wir messen zwei ausgehende Teilchen und ihre Ladungen sind eindeutig unterschiedlich – es sind verschiedene Teilchen – aber wir sehen Interferenzmuster, die darauf hinweisen, dass diese Teilchen verschränkt oder miteinander synchronisiert sind, obwohl sie unterscheidbare Teilchen sind”, sagte Dr. Zhangbu Xu, Mitglied der STAR Collaboration und Physiker am Brookhaven National Laboratory.

Diese Entdeckung könnte weit über das hochgesteckte Ziel hinausgehen, die Bausteine der Materie zu entschlüsseln.

Viele Physiker versuchen zum Beispiel, die Verschränkung – eine Art “Bewusstsein” und Interaktion zwischen physikalisch getrennten Teilchen – nutzbar zu machen.

Ein Ziel ist es, wesentlich leistungsfähigere Kommunikationsmittel und Computer zu schaffen, als sie heute existieren.

Die meisten anderen bisherigen Beobachtungen der Verschränkung, einschließlich einer kürzlich erfolgten Demonstration der Interferenz von Lasern mit unterschiedlichen Wellenlängen, wurden jedoch zwischen Photonen oder identischen Elektronen gemacht.

“Dies ist die allererste experimentelle Beobachtung von Verschränkung zwischen ungleichen Teilchen”, so Dr. Brandenburg.

Die Arbeit des Teams erscheint heute in der Zeitschrift Science Advances.

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