Российские физики отщепили от теплового состояния света 10 фотонов
Российские физики смогли вычесть десять фотонов из теплового состояния света — набора фотонов, которые ведут себя согласованно, как бозонный газ — и измерить его параметры после этой операции. Результаты измерений хорошо согласуются с теоретическими значениями, говорится в статье, опубликованной в Physical Review A.
В квантовой оптике ученые приготавливают и измеряют различные квантовые состояния света. Эти состояния можно описать с помощью матрицы плотности, которая определяет, как связаны волновые функции фотонов. Например, в случае фоковского состояния это просто набор из n фотонов, в случае когерентного состояния это сумма всевозможных фоковских состояний, взятых с некоторыми коэффициентами. Квантовые состояния могут принадлежать одному из нескольких основных классов — например, к смещенным или сжатым состояниям.
Квантовые тепловые состояния света играют среди них особенную роль. На диагонали матрицы плотности в этом случае стоят значения распределения Бозе-Эйнштейна, а недиагональные элементы равны нулю. С одной стороны, такие состояния относительно легко получить. С другой стороны, их можно использовать для исследования эффектов, основанных на классической и квантовой корреляции. Стоит заметить, что один из первых экспериментов в квантовой оптике проводился именно с тепловыми состояниями света, и с тех пор они использовались во многих интересных приложениях, например, в призрачном отображении (ghost imaging) или «тепловом лазере» (thermal laser).
В то же время, в квантовой оптике большой интерес представляет добавление и вычитание фотонов из светового поля. Например, таким образом можно проверить коммутационные соотношения операторов, которые описывают рождение и уничтожение фотонов. Или усилить свет, не добавив при этом лишнего шума. Впервые состояния, из которых вычли один или два фотона, исследовали в 2008 году ученые из Италии и Великобритании. Также были работы по получению состояний, из которых вычтено до восьми фотонов.
Физики из МГУ и Физико-технологического института РАН поставили эксперимент, в котором они получили состояния с 10 вычтенными фотонами. Для этого они использовали следующую экспериментальную установку. Свет от гелий-неонового лазера непрерывного излучения (длина волны около 633 нанометров) направлялся в оптоволокно и разделялся на два пучка. Меньшая часть направлялась на вращающийся матовый диск (GGD на рисунке), который модулировал случайным образом амплитуду и фазу лазерного излучения и превращал свет в квазитепловой. Затем от этого пучка с помощью разделителя «отщипывались» фотоны. Наконец, число отщепленных фотонов измерялось с помощью детектора COUNT-100C-FC (APD на рисунке), а состояние оставшегося пучка с вычтенными фотонами сравнивалось с исходным состоянием другого пучка (homodyne detection). Главное отличие эксперимента от предыдущих заключается в том, что один детектор APD мог последовательно зафиксировать сразу несколько фотонов. Именно это позволило изучить состояния с большим числом отщепленных фотонов.
В результате ученые экспериментально нашли распределение вероятности для состояний с различным числом вычтенных фотонов. Это же распределение они рассчитали теоретически и сравнили с экспериментом. Оказалось, что оно зависит всего от двух параметров — среднего числа фотонов μ и параметра когерентности a, которые, в свою очередь, полностью определяются числом вычтенных из состояния фотонов. Приближая экспериментальную зависимость распределениями с различными параметрами a и μ, физики выяснили, какие значения лучше всего подходят для описания состояний, а затем сравнили их с рассчитанными теоретически значениями. Оказалось, что в целом они хорошо согласуются, хотя параметр когерентности и занижен немного по сравнению с теорией.
Кроме того, для каждого состояния физики рассчитали «чистоту» (fidelity) экспериментальных распределений по сравнению с теоретическими. Грубо говоря, это число показывает, насколько хорошо совпадают два распределения. Оказалось, что в среднем чистота составляет 99,6 — 99,9 процентов. Вообще говоря, это очень высокое значение.
Этим летом мы писали о другой работе этой же группы ученых из МГУ, также связанной с изучением тепловых состояний света — квантовом вампире. Квантовым вампиром называется эффект, заключающийся в том, что при определенных условиях тело, которое находится на пути у света, не отбрасывает тени.
Дмитрий Трунин
Он расходится с последними теоретическими предсказаниями со статистической значимостью в 5σ
Физики представили новые результаты эксперимента Muon g-2 в Фермилабе по измерению аномального магнитного момента мюона. Согласно анализу данных двух новых сеансов измерений, физикам удалось больше чем в два раза уменьшить неопределенность измеренного значения. С учетом всех собранных Muon g-2 экспериментальных данных, новый результат противоречит последним предсказаниям Стандартной модели со статистической значимостью в 5,0σ. Согласно авторам статьи, препринт которой доступен на сайте эксперимента, статистическая значимость расхождения, вероятно, ослабнет, если включить в расчет предсказаний недавно опубликованные теоретические и экспериментальные результаты других коллабораций. Также о результатах эксперимента рассказывается на сайте ИЯФ имени Будкера, а запись научного семинара с докладом о последних результатах Muon g-2 доступна на YouTube.Значение магнитного момента мюона — одна из немногих напрямую измеряемых аномалий в современной физике, которая может указывать на существования физики за пределами Стандартной модели. Дело в том, что в это значение вносит вклад взаимодействие этого тяжелого лептона с существующими в нашей модели Вселенной виртуальными частицами. За счет большой массы мюона такой вклад различим на фоне хорошо предсказываемых электромагнитных поправок. Он же позволяет судить о существовании потенциально неоткрытых полей и частиц: расхождения измеренного значения магнитного момента и теоретических расчетов может указывать на неполноту теории. Однако сложность таких измерений в том, что относительная разница измеренного экспериментом и предсказанного теорией значений может проявляться только в шестом знаке после запятой. Для достижения такой точности измерений необходим большой массив экспериментальных данных, а также уверенность в том, что из их анализа были исключены любые систематические вклады и неопределенности в теории. Кроме того, сами предсказания Стандартной модели обладают погрешностью и зависят от параметров существующих в ней частиц и процессов. Два года назад мы уже рассказывали о природе аномального магнитного момента мюона и о том, как эксперимент Muon g-2 впервые увидел расхождение теории и эксперимента. Тогда в совокупности с данными двадцатилетней давности эксперимента-предшественника E821 в Брукхейвенской национальной лаборатории статистическая значимость расхождения составила 4,2 стандартных отклонения (или 4,2σ), чего лишь немного не хватило до общепринятого порога официального открытия в 5σ. Вчера участники коллаборации Muon g-2, в том числе физики из институтов Великобритании, Германии, Италии, Китая, России и США, представили результаты анализа данных двух новых сеансов измерений, которые состоялись в 2019 и 2020 годах. Полученное значение аномального магнитного момента совпало в пределах погрешности с результатами за первый сеанс измерений и эксперимента E821, а относительную точность измерения удалось уменьшить больше чем в два раза: с 0,46 до 0,20 миллионных долей. Как и в первом сеансе набора данных, магнитный момент мюона физики измеряли через разность циклотронной частоты и частоты спиновой прецессии поляризованных антимюонов (частица с противоположным по знаку мюону зарядом, но теми же свойствами) в накопительном кольце в сильном магнитном поле. Эта разность частот пропорциональна абсолютной величине аномального магнитного момента мюона и магнитному полю. Поэтому непрерывно измеряя магнитные поля внутри кольца с помощью ЯМР-проб, физики могли получить искомое значение магнитного момента. При этом сам антимюон в накопительном кольце достаточно быстро распадался на два нейтрино и позитрон, который за счет меньшей массы отклонялся в сторону внутреннего радиуса накопительного кольца, покрытого калориметрами. Искомую разность частот измеряли по колебаниям в количестве электронов, зарегистрированных с помощью этих детекторов. Столь сильно уменьшить погрешность измерений физикам удалось не только за счет увеличения количества набранных данных в 5 раз, но и благодаря оптимизации установки и процесса анализа данных. К примеру, ученые обернули кольцо в теплоизолирующий кожух и улучшили систему кондиционирования экспериментального холла, чтобы уменьшить колебания температуры, которые влияли на магнитное поле внутри установки. Большой вклад также внесли улучшение хранения пучка в кольце и оптимизация квадрупольных и дипольных магнитов в установке с обновленной техникой измерения их влияния на динамику пучка. В результате систематическая погрешность измерений составила всего 0,07 миллионных долей, что уже меньше цели эксперимента в 0,1 миллионных долей. К 2025 году физики собираются достигнуть цель и по статистической погрешности за счет обработки данных еще 3 сеансов набора данных, проведенных в 2021-2023 годах. Формально, с учетом всех собранных данных, измеренное экспериментом Muon g-2 значение аномального магнитного момента мюона уже сейчас противоречит предсказаниям Стандартной модели со статистической значимостью в 5σ, а с учетом данных эксперимента E821 — в 5,1σ. Однако участники коллаборации предостерегают от поспешных выводов: это сравнения с устаревшим расчетом теоретической группы эксперимента, опубликованным в 2020 году. По мнению ученых, недавно опубликованные данные эксперимента КМД-3 в Институте ядерной физики имени Будкера и теоретические расчеты коллаборации BMW должны повлиять на теоретические предсказания и потенциально сблизить их с экспериментально полученным значением. Еще одно прямое указание на Новую физику — переносчик слабого взаимодействия W-бозон. Год назад мы рассказывали о том, что измеренное коллаборацией CDF значение массы этой частицы разошлось с предсказаниями Стандартной модели на 7 стандартных отклонений.