​Физик Томского государственного университета Дмитрий Карловец 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. 

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. 

Дмитрий Карловец 

Дмитрий Карловец, доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории теоретической и математической физики ТГУ 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. ​

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. 

– 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. 

Карловец_рис.1 

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. 


Источники

Российский физик придумал, как разгонять "закрученные" частицы до сверхвысоких энергий
ТАСС, 19/05/2021
"Закрученные" частицы могут дать новое направление в физике
Поиск (poisknews.ru), 19/05/2021
"Закрученные" частицы могут дать новое направление в физике
Российский научный фонд (rscf.ru), 19/05/2021
"Закрученные" частицы могут дать новое направление в физике
Томский государственный университет (tsu.ru), 19/05/2021
"Закрученные" частицы могут дать новое направление в физике
Научная Россия (scientificrussia.ru), 19/05/2021
Найден способ разгона "закрученных"частиц до сверхвысоких энергий
Центральная Служба Новостей (csn-tv.ru), 19/05/2021
Российский физик придумал, как разгонять "закрученные" частицы до сверхвысоких энергий
Newszilla.ru, 19/05/2021
"Закрученные" частицы могут дать новое направление в физике
Новости науки (novostinauki.ru), 19/05/2021
"Закрученные" частицы могут дать новое направление в физике
Газета.Ru, 20/05/2021
Российский физик придумал, как разгонять "закрученные" частицы до сверхвысоких энергий
Зеленоград info (зеленоград-инфо.рф), 21/05/2021

Похожие новости

  • 27/10/2020

    Томские ученые нашли способ в 2,5 раза упрочнить сплавы, используемые для носовой части ледоколов

    ​​Сотрудники лаборатории высокопрочных кристаллов СФТИ Томского государственного университета нашли способ упрочнения многокомпонентных сплавов, которые выдерживают действие критически низких температур, близких к -200°С.
    581
  • 07/04/2021

    Три научных группы Томского политехнического университета выиграли гранты на поддержку своих проектов

    ​​Научная группа, которой руководит кандидат физико-математических наук Алексей Шевелев, трудится над созданием более дешевых и эффективных резонаторов, которые применяются в ускорителях частиц, в том числе, Большом адронном коллайдере.
    673
  • 26/07/2021

    «Движущая сила науки – интерес»: физик из США в Томске изучает озон

    ​Профессор университета Центральной Флориды (США) Вячеслав Кокоулин приехал в Томский госуниверситет для работы над проектом «Озон: радиационные свойства на пороге диссоциации, процессы формирования, релаксации и распада; спектроскопическое обеспечение для моделирования спутниковых наблюдений».
    427
  • 24/03/2021

    Учёные ТПУ нашли способ эффективнее прогнозировать свойства изотопологов диоксида хлора

    Ученые Томского политехнического университета провели исследование изотопа 35ClO2 и разработали математическую модель и программное обеспечение, которые позволяют предсказывать его характеристики в десятки раз точнее по сравнению с известными результатами.
    454
  • 13/10/2020

    Физики ТГУ улучшили сплавы с памятью формы для космоса и Арктики

    ​Сотрудники лаборатории физики высокопрочных кристаллов ТГУ первыми в мире получили структуру сплавов, обеспечивающую им особую способность к деформации и восстановлению исходной формы до 15 процентов.
    857
  • 15/09/2020

    Физики впервые создали модель для предсказания свойств любых молекул

    Группа ученых-физиков под руководством доцента ФФ ТГУ Рашида Валиева создала новую модель для расчета фотофизических характеристик молекул, которая применима для молекул любой природы, в том числе редкоземельных лантаноидов.
    866
  • 13/05/2021

    12 мая – День женщин в математике (ВИДЕО)

    ​Математический центр ТГУ выпустил видеоролик, рассказывающий о выдающихся женщинах-математиках.  В 2018 году Международный математический союз принял решение объявить 12 мая Днём женщин в математике.
    2225
  • 23/12/2020

    Директор Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Марина Трусова: «Все силы и средства идут на развитие школы»

    ​​О главных событиях и достижениях 2020 года и планах на будущее рассказала директор Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Марина Трусова.    Мегагранты Год для коллектива нашей школы был ярким и богатым на события.
    696
  • 06/07/2021

    ТГУ разрабатывает концепцию НЦМУ по государственной безопасности

    В рамках экспертного форума U-NOVUS 2021 при координации Томского государственного университета прошло обсуждение перспектив создания Центра развития науки, технологий и образования в области обеспечения безопасности государства.
    1079
  • 19/02/2021

    Данные учёных ТГУ помогут в обследовании пациентов с инсультом

    Учёные лаборатории нейробиологии ТГУ в ходе серии экспериментов, проведённых с использованием модели ишемического инсульта у крыс, получили новые данные о процессах, которые происходят в очаге поражения головного мозга.
    853