Физик из Томского государственного университета математически доказал, что «закрученные» частицы сохраняют необычное квантовое состояние и проявляют свойства волны при достижении высоких скоростей, тогда как обычные частицы волновых свойств не обнаруживают. Реализация этих расчетов в эксперименте на современном коллайдере может привести к формированию нового научного направления на стыке физики частиц, физики ускорителей и квантовой оптики. Статья об исследовании, поддержанном грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликована в журнале New Journal of Physics.
Схема генерации закрученных электронов внутри соленоида. Колечко обозначает пространственное распределение плотности вероятности каждого электрона, а закрученность проявляется в том, что это колечко вращается вокруг оси z. Источник: Дмитрий Карловец
Электроны, нейтроны, фотоны и другие элементарные частицы могут при одних условиях проявлять свойства волн, а при других — свойства частиц. Это явление называется корпускулярно-волновым дуализмом. В обычных условиях электрон проявляет волновые свойства только на малых энергиях — как частицу его можно рассматривать лишь на больших. Однако относительно недавно физики научились «закручивать» электроны и нейтроны, от чего их характеристики разительно меняются.
В состоянии волны при движении электрона его заряд «равномерно размазан» по некоторой области, которая называется фронтом волны. «Закрученными» элементарными частицами можно назвать такие, у которых волновой фронт похож на винт мясорубки — то есть вращается вокруг оси направления их движения. До сих пор ученые могли создавать такие необычные квантовые состояния частиц только с помощью электронных микроскопов на умеренных энергиях. Тем не менее, даже это позволило существенно улучшить качество анализа магнитных свойств наноматериалов и открыло новые возможности для атомной спектроскопии и электронной микроскопии с разрешением в десятые доли нанометров.
Физик из Томского государственного университета теоретически доказал принципиальную возможность создавать «закрученные» частицы на высоких энергиях с помощью ускорителей. Он описал процессы, происходящие с ними, при помощи компьютерного моделирования и методов математической физики.
«Техническая сложность заключалась в том, что эти частицы сначала нужно "закручивать", а потом разгонять до высоких энергий. Возникал вопрос, сохраняется ли их необычное квантовое состояние при таком ускорении? Выяснилось, что, если пучок ускорять и фокусировать стандартными методами, которые используются в ускорителях, "закрученное" состояние оказывается устойчивым и частицы не теряют волновых свойств», — рассказал Дмитрий Карловец, руководитель проекта по гранту РНФ, доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории теоретической и математической физики ТГУ.
Если эти идеи будут реализованы в эксперименте, это позволит создавать пучки «закрученных» частиц с огромной энергией — в сотни и даже тысячи раз больше, чем сейчас — причем не только легких электронов, но и тяжелых протонов, ионов и так далее. Это могло бы дать физикам новые инструменты анализа строения «составных» частиц — адронов, атомов, ионов. В частности, «закрученные» электроны с большими энергиями позволили бы изучать спин протона — одну из современных загадок физики высоких энергий, поскольку большой орбитальный момент такого электрона будет усиливать взаимодействие со спином протона и угловыми моментами составляющих его частиц.
Дмитрий Карловец. Источник: Дмитрий Карловец
«Сейчас на всех ускорителях, как на маленьких, имеющих прикладное значение, так и на больших, включая большой адронный коллайдер, для экспериментов не создают частицы в определенных квантовых состояниях. Пучки формируют, фокусируют, ускоряют, а потом сталкивают с мишенью или друг с другом, но не подготавливают специальным образом. Тем не менее, эксперименты с "закрученными" частицами на высоких энергиях могут привести к формированию нового научного направления на стыке физики частиц, физики ускорителей и квантовой оптики. Моя задача — убедить экспериментаторов в том, что практическое применение предложенной схемы может дать интересные и очень перспективные результаты», — заключил Дмитрий Карловец.
По сути, пучки частиц в необычных квантовых состояниях могут дать новые инструменты анализа свойств и структуры вещества, а также свойств самих частиц. До сих пор экспериментаторы создавали классические пучки частиц различной формы, где каждая частица летела со своей энергией и в определенном направлении. «Квантовые» пучки состоят из частиц, где каждая частица как бы летит в разных направлениях одновременно. Это свойство позволяет создавать новые источники пар так называемых «запутанных» частиц, что важно как для развития технологий квантовых оптических коммуникаций, так и для разработки квантовых компьютеров.
Информация и фото предоставлены пресс-службой Российского научного фонда
