Неточность поможет закрутить релятивистские частицы

Немецкие и российские физики предложили способ закручивания частиц, основанный на правильной пост-селекции в запутанной паре. Метод опирается на максимально неточное измерение направления движения одной частицы, что наделяет вторую ненулевым средним орбитальным моментом. Теория предсказывает, что таким путем можно закручивать как рентгеновские и гамма-кванты, так и адроны, лептоны и целые ядра независимо от их энергии. Исследование опубликовано в The European Physical Journal C.

Ровно 30 лет назад Аллен с коллегами открыли новую веху в квантовой механике свободно распространяющихся частиц. Ученые показали, что фотоны, вдобавок к присущему им спиновому моменту, выраженному через поляризацию, можно наделить орбитальным моментом, который до того считался атрибутом исключительно связанных частиц, например, электронов в атомах или нуклонов в ядрах. Закрученный свет характеризуется волновым фронтом, обладающим винтовой формой, для получения которой его можно пропустить через спиральную фазовую пластинку. Другие методы получения такого электромагнитного излучения основаны на прохождение заряженных частиц через ондуляторы, нелинейном рассеянии, черенковском механизме и некоторых других.

Впрочем, волновыми свойствами обладают не только фотоны, а значит винтоподобный фронт можно создать и у других частиц. Сейчас физики умеют закручивать не только свет, но и звук, магноны, электроны, нейтроны и даже атомы с молекулами. Существующие методы, однако, ограничены нерелятивистскими частицами. Рекорд по энергии закрученных частиц пролегает в районе нескольких сотен килоэлектронвольт для электронов, что существенно ниже, чем типичные энергии, достижимые в ускорителях. Тем не менее ученые с оптимизмом обсуждают новые эффекты, которые закрученность могла бы привнести в физику высоких энергий.

Еще один повод для такого оптимизма дает недавнее теоретическое исследование, проведенное Дмитрием Карловецем (Dmitry Karlovets) из Университета ИТМО и его коллегами из Германии и России. Авторы предложили новый универсальный способ генерации частиц с орбитальным моментом, который подходит к широкому классу частиц и диапазону энергий. Метод основан на специфичной пост-селекции запутанной пары частиц, а именно на измерении одного из параметров с большой неопределенностью.

Соотношение определенностей играет ключевую роль в квантовой механике. Его суть сводится к тому, что отдельные пары свойств частиц – физических наблюдаемых – невозможно измерить одновременно со сколь угодной точностью. Хрестоматийный пример такой пары – импульс и координата. Состояние частицы с максимально точно известной координатой характеризуется максимально большой неопределенностью по импульсу, и наоборот. Другая пара – это азимутальный угол частицы относительно некоторой оси и соответствующая проекция ее орбитального момента.

Принцип неопределенности сыграл важную роль в доказательстве существования запутанности частиц, то есть наличия квантовых корреляций между ними. Сейчас мы знаем, что запутанность между частицами возникает всегда, когда в исходе какого-либо процесса с двумя и более конечными частицами присутствует некоторый произвол в рамках законов сохранения. Например, когда один фотон распадается на два в процессе спонтанного параметрического рассеяния. В большинстве ситуаций запутанность разрушается естественным путем по мере взаимодействия частиц со средой или с массивным детектором, реализующим редукцию волновой функции. Этот механизм доминирует в экспериментах по физике высоких энергий и приводит к некоторому статистическому разбросу по импульсам продуктов реакций в событиях-совпадениях.

Карловец с коллегами предположили, что если детекторы будут проводить не стандартное проективное измерение одной из частиц в паре, а обобщенное измерение, то есть такое, которое оставляет отдельные компоненты физической наблюдаемой (в частности, импульса), максимально неопределенными, то это может сформировать суперпозиционное состояние на второй частице с ненулевым средним орбитальным моментом. Для этого детектор должен уметь хорошо определять модуль импульса частицы, но его направление должно оставаться максимально неизвестным, то есть неопределенность азимутального угла импульса должна стремиться к 2π.

В качестве примера физики рассмотрели черенковское излучение электрона, движущегося в прозрачной среде с релятивистской скоростью. Описанная ими частичная редукция при измерении импульса электрона (то есть, по сути, пост-селекция) приведет к тому, что волновая функция фотона будет описываться состоянием с ненулевым средним орбитальным моментом. Более того, если электрон сам был сильно закручен, то орбитальный момент черенковского фотона также может быть большим.

Аналогичные результаты авторы получили для других электродинамических процессов, например, комптоновского рассеяния электрона в лазерном поле с циркулярной поляризацией или излучения в спиральном ондуляторе. Как показали расчеты, по такому же принципу можно закручивать мюоны, протоны, пионы и другие частицы, просто сталкивая их с закрученными электронами. С теоретической точки зрения энергия частиц не играет решающей роли. Однако измерение закрученности у релятивистских частиц будет представлять собой сложную задачу, решать которую авторы оставили экспериментаторам.

Возможно, однажды физики научатся полностью контролировать частицы высоких энергий в той же степени, с которой они умеют это делать для света. Недавно мы писали про то, как металинейки помогли ученым добиться полного пространственно-временного контроля свойствами оптического импульса, включая его орбитальный момент.