Korelacje Bosego-Einsteina - Bose–Einstein correlations
W fizyce , korelacje Bosego-Einsteina są korelacje między identycznych bozonów . Mają ważne zastosowania w astronomii, optyce, fizyce cząstek i fizyce jądrowej.
Od interferometrii intensywności do korelacji Bosego-Einsteina
Interferencja między dwiema (lub więcej) falami ustanawia korelację między tymi falami. W szczególności w fizyce cząstek elementarnych, gdzie każdej cząstce jest przypisana fala, mamy zatem do czynienia z interferencją i korelacjami między dwiema (lub więcej) cząstkami, opisanymi matematycznie przez funkcje korelacji drugiego lub wyższego rzędu. Te korelacje mają dość specyficzne właściwości dla identycznych cząstek. Następnie rozróżniamy korelacje Bosego – Einsteina dla bozonów i korelacje Fermiego – Diraca dla fermionów. Podczas gdy w korelacjach drugiego rzędu Fermiego – Diraca cząstki są zbrojone, w korelacjach Bosego – Einsteina (BEC) są one zbite. Inną różnicą między korelacją Bosego-Einsteina i Fermiego-Diraca jest to, że tylko BEC może przedstawić spójność kwantową (por. Poniżej).
W optyce mówi się, że dwie wiązki światła zakłócają spójnie, gdy różnica faz między ich falami jest stała; jeśli ta różnica faz jest przypadkowa lub zmiana wiązek jest niespójna.
Spójna superpozycja amplitud fal nazywana jest interferencją pierwszego rzędu. Analogicznie do tego mamy interferencję intensywności lub drugiego rzędu Hanbury Brown i Twiss (HBT) , która uogólnia interferencję między amplitudami do interferencji między kwadratami amplitud, tj. Między natężeniami.
W optyce interferometria amplitudy służy do wyznaczania długości, nieregularności powierzchni i współczynników załamania; interferometria intensywności , poza przedstawieniem w pewnych przypadkach zalet technicznych (takich jak stabilność) w porównaniu z interferometrią amplitudową, pozwala również na określenie kwantowej spójności źródeł.
Korelacje Bosego-Einsteina i koherencja kwantowa
Pojęcie wyższego rzędu lub kwantowej spójności źródeł zostało wprowadzone do optyki kwantowej przez Glaubera. Choć początkowo był używany głównie do wyjaśnienia działania maserów i laserów, szybko zdano sobie sprawę, że ma ważne zastosowania także w innych dziedzinach fizyki: w odpowiednich warunkach koherencja kwantowa prowadzi do kondensacji Bosego-Einsteina. Jak sugerują nazwy, korelacje Bosego-Einsteina i kondensacja Bosego-Einsteina są konsekwencjami statystyk Bosego-Einsteina, a zatem mają zastosowanie nie tylko do fotonów, ale do każdego rodzaju bozonów. Zatem kondensacja Bosego-Einsteina jest przyczyną tak ważnych zjawisk w materii skondensowanej, jak nadprzewodnictwo i nadciekłość, a korelacje Bosego-Einsteina ujawniają się również w interferometrii hadronowej.
Niemal równolegle z wynalezieniem przez Hanbury-Browna i Twissa interferometrii intensywności w optyce Gerson Goldhaber, Sulamith Goldhaber, Wonyong Lee i Abraham Pais (GGLP) odkryli, że identycznie naładowane piony wytwarzane w procesach anihilacji antyprotonowo-protonowej były zgrupowane, podczas gdy piony przeciwne zarzuty nie były. Zinterpretowali ten efekt jako wynikający ze statystyk Bosego-Einsteina. Następnie zdano sobie sprawę, że efekt HBT jest również efektem korelacji Bosego-Einsteina, efektem identycznych fotonów.
Najbardziej ogólnym formalizmem teoretycznym dla korelacji Bosego-Einsteina w fizyce subjądrowej jest kwantowe podejście statystyczne, oparte na klasycznym stanie prądu i spójności, formalizmie: obejmuje ono spójność kwantową, długości korelacji i czasy korelacji.
Od lat 80. XX wieku BEC stał się przedmiotem aktualnych zainteresowań w dziedzinie fizyki wysokich energii i obecnie odbywają się spotkania w całości poświęcone tej tematyce. Jednym z powodów tego zainteresowania jest fakt, że BEC są dotychczas jedyną metodą określania rozmiarów i czasu życia źródeł cząstek elementarnych. Ma to szczególne znaczenie w przypadku ciągłych poszukiwań materii kwarkowej w laboratorium: aby osiągnąć tę fazę materii, niezbędna jest krytyczna gęstość energii. Aby zmierzyć tę gęstość energii, należy określić objętość kuli ognia, w której ma powstać ta materia, a to oznacza określenie rozmiaru źródła; można to osiągnąć metodą interferometrii intensywności. Ponadto faza materii oznacza stan quasi-stabilny, tj. Stan, który trwa dłużej niż czas trwania zderzenia, które spowodowało ten stan. Oznacza to, że musimy zmierzyć żywotność nowego systemu, który ponownie może uzyskać tylko BEC.
Koherencja kwantowa w oddziaływaniach silnych
Korelacje hadronów Bosego-Einsteina można również wykorzystać do określenia spójności kwantowej w oddziaływaniach silnych. Wykrywanie i mierzenie koherencji w korelacjach Bosego-Einsteina w fizyce jądrowej i cząstek elementarnych było dość trudnym zadaniem, ponieważ te korelacje są raczej niewrażliwe na nawet duże domieszki koherencji, z powodu innych konkurencyjnych procesów, które mogłyby symulować ten efekt, a także dlatego, że często eksperymentatorzy nie zastosowali odpowiedniego formalizmu w interpretacji swoich danych.
Najbardziej wyraźne dowody spójności w BEC wynika z pomiaru wysokich korelacji rzędu w reakcjach antyprotonu protonów w akceleratorze CERN SPS przez UA1 współpracy -Minium odchylenie. Eksperyment ten ma również szczególne znaczenie, ponieważ testuje w dość nietypowy sposób przewidywania statystyki kwantowej zastosowane do BEC: stanowi nieudaną próbę fałszowania teorii [1] . Oprócz tych praktycznych zastosowań BEC w interferometrii, kwantowe podejście statystyczne [10] doprowadziło do całkiem nieoczekiwanego zastosowania heurystycznego, związanego z zasadą identycznych cząstek, fundamentalnym punktem wyjścia BEC.
Korelacje Bosego-Einsteina i zasada identycznych cząstek w fizyce cząstek elementarnych
Dopóki liczba cząstek układu kwantowego jest stała, system można opisać funkcją falową, która zawiera wszystkie informacje o stanie tego układu. Jest to pierwsze podejście do kwantyzacji i historycznie korelacje Bosego-Einsteina i Fermiego-Diraca zostały wyprowadzone poprzez ten formalizm funkcji falowej. Jednak w fizyce wysokich energii mamy do czynienia z procesami, w których cząstki są wytwarzane i absorbowane, co wymaga bardziej ogólnego podejścia teoretycznego zwanego drugą kwantyzacją. Jest to podejście, na którym opiera się optyka kwantowa i tylko poprzez to bardziej ogólne podejście można zinterpretować lub odkryć kwantową spójność statystyczną, lasery i kondensaty. Innym nowszym zjawiskiem odkrytym dzięki temu podejściu jest korelacja Bosego-Einsteina między cząstkami i antycząstkami.
Funkcja falowa dwóch identycznych cząstek jest symetryczna lub antysymetryczna w odniesieniu do permutacji tych dwóch cząstek, w zależności od tego, czy rozpatruje się identyczne bozony, czy identyczne fermiony. Dla nieidentycznych cząstek nie ma symetrii permutacji i zgodnie z formalizmem funkcji falowej nie powinno być między tymi cząstkami korelacji Bosego – Einsteina ani Fermiego – Diraca. Dotyczy to w szczególności pary cząstek utworzonych z dodatniego i ujemnego pionu. Jednak jest to prawdą tylko w pierwszym przybliżeniu: jeśli weźmie się pod uwagę możliwość, że dodatni i ujemny pion są wirtualnie powiązane w tym sensie, że mogą anihilować i przekształcić się w parę dwóch neutralnych pionów (lub dwa fotony), tj. identycznych cząstek mamy do czynienia z bardziej złożoną sytuacją, którą należy rozwiązać w ramach drugiego podejścia kwantyzacji. Prowadzi to do nowego rodzaju korelacji Bosego-Einsteina, mianowicie między pionami dodatnimi i ujemnymi, aczkolwiek znacznie słabszymi niż te między dwoma dodatnimi lub dwoma ujemnymi. Z drugiej strony nie ma takiej korelacji między naładowanym i neutralnym pionem. Mówiąc luźno, pion pozytywny i negatywny są mniej nierówne niż pion pozytywny i neutralny. Podobnie BEC między dwoma neutralnymi pionami są nieco silniejsze niż te między dwoma identycznie naładowanymi: innymi słowy, dwa neutralne piony są „bardziej identyczne” niż dwa ujemne (dodatnie) piony.
Zaskakujący charakter tych specjalnych efektów BEC trafił na pierwsze strony gazet w literaturze. Efekty te ilustrują wyższość teoretycznego drugiego podejścia kwantyzacji pola w porównaniu z formalizmem funkcji falowej. Ilustrują również ograniczenia analogii między interferometrią optyczną a fizyczną cząstek elementarnych: dowodzą, że korelacje Bosego-Einsteina między dwoma fotonami różnią się od korelacji między dwoma identycznie naładowanymi pionami, co doprowadziło do nieporozumień w literaturze teoretycznej i zostało wyjaśnione w.