Зачем закручивать частицы

Фотоны, электроны, нейтроны и другие элементарные частицы могут проявлять разные свойства в зависимости от условий и вести себя либо как волны, либо как частицы. Это явление называется корпускулярно-волновым дуализмом. Считается, что в обычных условиях массивные частицы (например, электроны) могут сохранять волновые свойства лишь при малых энергиях, а при больших сохраняют только свойства частиц. Однако некоторые волновые свойства частиц могут сохраняться и при высоких энергиях. Чтобы этого достичь, частицы нужно «закрутить», то есть заставить вращаться волновой фронт частицы вокруг направления, вдоль которого они движутся, а затем разогнать с помощью ускорителей. Форма волнового пакета закрученных частиц напоминает винт мясорубки или спираль штопора.

Сегодня закрученные частицы можно использовать в электронной микроскопии для анализа структуры магнитных нано- и метаматериалов. В целом они имеют широкое потенциальное применение в разных областях науки. Например, закрученные фотоны могут быть полезны для передачи информации, которая в закодированном виде «записывается» на лучи света. Одна из самых эффективных характеристик света для передачи данных, которой мы до сих пор не научились управлять в широком диапазоне длин волн, — орбитальный угловой момент (ОУМ), который и делает частицы закрученными. В отличие от обычного света, закрученный несет большее количество информации, поскольку содержит дополнительную характеристику или степень свободы.

Именно изменение орбитального углового момента фотонов позволяет сделать частицы закрученными. Сегодня это реализуют, используя дифракционные методы, ― с помощью специальных решеток и фазовых пластинок в оптическом и инфракрасном диапазонах. Также закрученные фотоны могут генерироваться заряженными частицами в ондуляторах (устройство, в котором создаются электромагнитные поля, действующие на движущиеся в нём заряженные частицы) с помощью разных видов рассеяния, излучения и других методов. При этом максимальная энергия закрученных фотонов, достигнутая до сих пор, не превышает нескольких килоэлектронвольт. Это значительно ниже энергий, достижимых в ускорителях. Для исследования «закрученной» физики при более высоких энергиях нужны альтернативные подходы к генерации закрученных состояний широкого спектра квантовых систем.

Прочитайте также:

Ученый Дмитрий Карловец — о программах Fellowship для исследователей в России и Германии и о том, зачем «закручивать» частицы

Запутанные фотоны и не только: за что присудили Нобелевскую премию по физике в 2022 году и почему это важно

«Мы хотим, чтобы люди не боялись науки»: физик Станислав Батурин ― о том, что такое установки класса Megascience и зачем нужны «закрученные» частицы

Что придумали ученые

Чтобы решить эту проблему, ученые ИТМО совместно с немецкими коллегами предложили использовать свойство квантовой запутанности, за экспериментальное изучение которого недавно была присуждена Нобелевская премия по физике 2022. Оно заключается в том, что при рождении пары частиц в какой-либо реакции обе частицы неразрывно связаны друг с другом и по сути представляют собой одну квантовую систему, даже если они разлетаются в пространстве на макроскопические расстояния, как это обычно происходит в экспериментах на коллайдерах. Исследователи теоретически показали возможность использовать это свойство для создания специальных закрученных квантовых состояний частиц.

Если обычно ученым нужно очень точно измерять какие-либо свойства частицы (массу, заряд), то в новом методе принципиальную роль играет измерение с большой ошибкой — так называемое обобщенное измерение. Преимущество метода в том, что мы имеем дело с состояниями частиц в том виде, в каком они возникли в результате самого процесса, и нам не нужно использовать обычные детекторы, точно измеряющие импульс частицы. Достаточно лишь очень плохо измерить азимутальный угол импульса одной конечной частицы в реакции: например, когда частица вылетает под очень маленьким углом к оси столкновения (что типично для экспериментов на коллайдерах). Тогда волна другой частицы автоматически станет закрученной за счет свойства квантовой запутанности.

«Любопытно, что здесь мы получаем выгоду от измерений свойства частиц с большой ошибкой, то есть – проще говоря – плохих измерений. Но в квантовой физике всегда существуют так называемые сопряженные наблюдаемые величины: если мы очень точно померили одну величину, то другая оказывается известной с очень большой ошибкой (например, координата и импульс частицы). Здесь мы имеем дело с сопряженными переменными “азимутальный угол – угловой момент”: плохое измерение угла приводит к более точному знанию углового момента, то есть свойства быть в закрученном состоянии», — рассказывает соавтор статьи, ведущий научный сотрудник Нового физтеха Дмитрий Карловец.

Ученые размышляли над тем, как генерируются закрученные фотоны в спиральных ондуляторах — специальных магнитных системах, используемых в ускорителях и синхротронах, в том числе на лазерах на свободных электронах (European XFEL). То, что фотоны являются там закрученными, было показано экспериментально, но хорошей квантовой теории для объяснения этого явления не было. Вместе с теоретиками XFEL авторы работы начали проводить вычисления и обнаружили, что такая схема не только предполагает использование обобщенных измерений, но и может быть реализована на других ускорителях, в том числе адронных.

Как показали расчеты, закручивать фотоны, мюоны, протоны и другие частицы можно с помощью привычных электродинамических процессов: рассеяния, излучения или аннигиляции с использованием обобщенного измерения.

Где можно применить результат исследования

Разработка ученых может быть реализована на современных коллайдерах и лазерах на свободных электронах для генерации закрученных частиц высокой энергии — это необходимо для экспериментов по физике частиц и ядерной физике. Например, ее можно применить на ондуляторной линии SASE3 европейского XFEL, на мощных лазерных установках Extreme Light Infrastructure, на синхротронах со спиральными ондуляторами, на существующих и будущих лептонных и адронных коллайдерах.

Статья: Dmitry V. Karlovets, Stanislav S. Baturin, Gianluca Geloni, Georgy K. Sizykh, Valery G. Serbo. Generation of vortex particles via generalized measurements (The European Physical Journal C, 2022