Измерение с помощью частиц «стандартной свечи» открывает новые возможности в поиске необычных субатомных частиц. Подобно протонам и нейтронам, мезоны состоят из кварков, связанных сильным ядерным взаимодействием. Однако эти короткоживущие частицы имеют уникальные характеристики, которые могут раскрыть новую информацию об атомном ядре и устройстве Вселенной.
Развитие понимания
Понимание этих процессов может однажды привести к новым открытиям во многих областях: от ядерной энергетики до медицины и материаловедения.
a₂-мезон
Так называемый a₂-мезон представляет собой относительно лёгкую систему кварков. Он создаётся в экспериментах в Национальном ускорительном центре Томаса Джефферсона (Thomas Jefferson National Accelerator Facility), принадлежащем Министерству энергетики США.
Новое измерение
Учёные из Jefferson Lab впервые измерили вероятность возникновения a₂ при столкновении поляризованного фотонного пучка с протоном-мишенью. Это измерение, называемое сечением рассеяния, было опубликовано в журнале Physical Review C.
Поиск пи-мезона
Результат позволяет искать легчайший спин-экзотический мезон — пи-мезон (pi₁), с конечной целью составления карты спектра масс гибридных систем.
Глюоны и квантовая хромодинамика
Глюоны — это фундаментальные частицы, которые переносят сильное ядерное взаимодействие, или «клей», который связывает кварки в такие составные частицы, как протоны, нейтроны, мезоны и другие адроны.
Теория квантовой хромодинамики (QCD) описывает это сильное взаимодействие. Это основное направление исследований коллаборации GlueX, международной группы учёных, которые проводят свои исследования в Jefferson Lab.
Исследование QCD
Для изучения QCD коллаборация GlueX использует фотоны, полученные из электронов, ускоряемых на установке непрерывного электронного пучка (CEBAF), которая позволяет исследовать более чем 1650 физикам по всему миру.
Преобразование электронов в фотоны
Аппарат GlueX использует тонкую пластину из алмаза для преобразования электронов CEBAF в пучок фотонов. Эти световые частицы линейно поляризованы, что означает, что их электрическое поле колеблется в определённом направлении, когда они движутся к своей атомной мишени. Специализированная система детекторов измеряет спектральный разброс от результирующих столкновений, позволяя учёным заглянуть в «чёрный ящик» производства и распада частиц.
Новая материальная платформа для создания пар фотонов с настраиваемой запутанностью
Учёные создали пары фотонов, запутанность которых можно настраивать с помощью материала тоньше человеческого волоса.
Нелинейный отклик
Пары фотонов создаются с помощью метаповерхности из фосфида индия-галлия (InGaP), который имеет нелинейный отклик, позволяющий расщеплять классический фотон на два квантовых фотона. Настраивая длину волны исходного фотона, можно генерировать два новых фотона, которые будут полностью запутанными по своей поляризации, не запутанными вообще или иметь любое значение между этими крайностями, с пикосекундным контролем.
Важность асимметрии
Процесс использует асимметрию поверхности, сказал руководитель исследовательской группы, профессор Андрей Сухоруков. «Это захватывающий новый физический принцип для подготовки настраиваемых квантовых состояний. Важность асимметрии в нелинейных процессах хорошо известна, но это первый раз, когда она была применена для генерации запутанных пар фотонов», — сказал профессор Сухоруков.
Настраиваемые запутанные пары фотонов
Настраиваемые запутанные пары фотонов являются важным компонентом для безопасной квантовой связи и шифрования, и это первая работа, в которой используется миниатюризация метаповерхностей для достижения настраиваемости.
Работа опубликована в Science Advances, и в ней подробно описано, как процесс создаёт оптические резонансы для повышения эффективности производства пар фотонов.
Ключ к новому процессу
Ключом к новому процессу является процесс изготовления метаповерхности, сказал соавтор и научный сотрудник EME/TMOS, доктор Туомас Хагген. «Мы изучали материалы и поняли, что свойства InGaP многообещающие — большой нелинейный коэффициент, широкая запрещённая зона и прозрачность в красном диапазоне длин волн».
Эксперименты с вращением кристаллической решётки
Экспериментируя с поворотом кристаллической решётки, используя эпитаксиальный рост в Австралийском национальном производственном центре, команда усовершенствовала метод, который создал метаповерхность с кристаллической структурой InGaP, ориентированной в ориентации [110], в отличие от более распространённой ориентации [100], для которой требуемые нелинейные условия были почти полностью отсутствовали.
Оптические резонансы
Для использования нелинейных свойств ориентации [110] команда хотела создать оптические резонансы для повышения эффективности. «Моделирование показало, что наилучшие условия для оптического резонанса были при использовании метаповерхности с массивом столбиков высотой 500 нм, чуть менее 1 мкм в диаметре, расположенных на расстоянии 1 мкм друг от друга, на подложке из диоксида кремния», — сказал соавтор и аспирант EME/TMOS, Тонгмяо Фан.
Гиперзапутанность
Помимо запутанности поляризации, пары фотонов также были запутаны пространственно — имея два запутанных свойства, они квалифицируются как «гиперзапутанные». И поскольку выходные пары можно изменять так же быстро, как можно настраивать длину волны накачки, запутанность можно настраивать с пикосекундным контролем.
«Это открывает новые возможности в проектировании метаповерхностей — этот подход может быть использован для других степеней свободы или нескольких степеней свободы для создания гиперзапутанности», — сказал профессор Сухоруков.