Corelațiile Bose – Einstein - Bose–Einstein correlations
În fizică , corelațiile Bose – Einstein sunt corelații între bosoni identici . Au aplicații importante în astronomie, optică, fizica particulelor și nucleară.
De la interferometrie de intensitate la corelații Bose-Einstein
Interferența dintre două (sau mai multe) unde stabilește o corelație între aceste unde. În fizica particulelor, în special, unde fiecărei particule este asociată o undă, întâlnim astfel interferențe și corelații între două (sau mai multe) particule, descrise matematic prin funcții de corelație de ordinul doi sau superior. Aceste corelații au proprietăți destul de specifice pentru particule identice. Apoi distingem corelațiile Bose-Einstein pentru bosoni și corelațiile Fermi-Dirac pentru fermioni. În timp ce în corelațiile Fermi-Dirac de ordinul doi particulele sunt antibunch, în corelațiile Bose-Einstein (BEC) acestea sunt grupate. O altă distincție între corelația Bose – Einstein și Fermi – Dirac este aceea că numai BEC poate prezenta coerență cuantică (cf. mai jos).
În optică, se spune că două fascicule de lumină interferează coerent, atunci când diferența de fază dintre undele lor este constantă; dacă această diferență de fază este aleatorie sau schimbarea fasciculelor este incoerentă.
Suprapunerea coerentă a amplitudinilor de undă se numește interferență de ordinul întâi. În analogie cu aceasta, avem interferență de intensitate sau de ordinul doi Hanbury Brown și Twiss (HBT) , care generalizează interferența dintre amplitudini la cea dintre pătratele de amplitudine, adică între intensități.
În optică, interferometria de amplitudine este utilizată pentru determinarea lungimilor, neregulilor de suprafață și a indicilor de refracție; interferometria de intensitate , pe lângă prezentarea în anumite cazuri de avantaje tehnice (cum ar fi stabilitatea) în comparație cu interferometria de amplitudine, permite și determinarea coerenței cuantice a surselor.
Corelațiile Bose – Einstein și coerența cuantică
Conceptul de ordin superior sau coerență cuantică a surselor a fost introdus în optica cuantică de Glauber. În timp ce inițial a fost folosit în principal pentru a explica funcționarea maserelor și a laserelor, s-a realizat în curând că avea aplicații importante și în alte domenii ale fizicii, de asemenea: în condiții adecvate, coerența cuantică duce la condensarea Bose-Einstein. După cum sugerează numele, corelațiile Bose-Einstein și condensarea Bose-Einstein sunt ambele consecințe ale statisticilor Bose-Einstein și, prin urmare, aplicabile nu numai fotonilor, ci oricărui tip de bosoni. Astfel, condensarea Bose-Einstein se află la originea unor fenomene de materie condensată atât de importante, cum ar fi supraconductivitatea și superfluiditatea, iar corelațiile Bose-Einstein se manifestă și în interferometria hadronică.
Aproape în paralel cu invenția de către Hanbury-Brown și Twiss a interferometriei de intensitate în optică Gerson Goldhaber, Sulamith Goldhaber, Wonyong Lee și Abraham Pais (GGLP) au descoperit că ponii încărcați identic produși în procesele de anihilare a antiprotonului-proton erau grupați, în timp ce pioni de acuzațiile opuse nu erau. Ei au interpretat acest efect ca urmare a statisticilor Bose – Einstein. Ulterior s-a realizat că efectul HBT este, de asemenea, un efect de corelație Bose-Einstein, cel al fotonilor identici.
Cel mai general formalism teoretic pentru corelațiile Bose – Einstein în fizica subnucleară este abordarea statistică cuantică, bazată pe starea clasică curentă și coerentă, formalismul: include coerența cuantică, lungimile corelației și timpii de corelație.
Începând cu anii 1980 BEC a devenit un subiect de interes actual pentru fizica energiei ridicate și în prezent au loc întâlniri dedicate în totalitate acestui subiect. Un motiv pentru acest interes este faptul că BEC sunt până acum singura metodă de determinare a dimensiunilor și a duratei de viață a surselor de particule elementare. Acest lucru prezintă un interes deosebit pentru căutarea continuă a materiei de quark în laborator: Pentru a ajunge la această fază a materiei este necesară o densitate critică a energiei. Pentru a măsura această densitate de energie, trebuie să determinați volumul bilei de foc în care se presupune că a fost generată această materie și aceasta înseamnă determinarea dimensiunii sursei; care poate fi realizat prin metoda interferometriei de intensitate. Mai mult, o fază a materiei înseamnă o stare cvasi-stabilă, adică o stare care trăiește mai mult decât durata coliziunii care a dat naștere acestei stări. Aceasta înseamnă că trebuie să măsurăm durata de viață a noului sistem, care poate fi obținut din nou numai de BEC.
Coerența cuantică în interacțiuni puternice
Corelațiile Bose – Einstein ale hadronilor pot fi, de asemenea, utilizate pentru determinarea coerenței cuantice în interacțiuni puternice. Detectarea și măsurarea coerenței în corelațiile Bose – Einstein în fizica nucleară și a particulelor a fost o sarcină destul de dificilă, deoarece aceste corelații sunt destul de insensibile chiar și la amestecuri mari de coerență, din cauza altor procese concurente care ar putea simula acest efect și, de asemenea, pentru că adesea experimentaliștii nu a folosit formalismul adecvat în interpretarea datelor lor.
Cele mai clare dovezi ale coerenței în BEC provin din măsurarea corelațiilor de ordin superior în reacțiile antiproton-proton la colizorul CERN SPS de către colaborarea UA1- Mini Bias. Acest experiment are, de asemenea, o semnificație specială, deoarece testează într-un mod destul de neobișnuit predicțiile statisticilor cuantice aplicate BEC: reprezintă o încercare nereușită de falsificare a teoriei [1] . Pe lângă aceste aplicații practice ale BEC în interferometrie, abordarea statistică cuantică [10] a condus la o aplicație euristică neașteptată, legată de principiul particulelor identice, punctul de plecare fundamental al BEC.
Corelațiile Bose-Einstein și principiul particulelor identice în fizica particulelor
Atâta timp cât numărul de particule ale unui sistem cuantic este fix, sistemul poate fi descris printr-o funcție de undă, care conține toate informațiile despre starea sistemului respectiv. Aceasta este prima abordare de cuantificare și corelațiile istorice Bose – Einstein și Fermi-Dirac au fost derivate prin acest formalism al funcției de undă. Cu toate acestea, în fizica cu energie ridicată, cineva se confruntă cu procese în care particulele sunt produse și absorbite și acest lucru necesită o abordare teoretică mai generală, numită a doua cuantificare. Aceasta este abordarea pe care se bazează optica cuantică și numai prin această abordare mai generală ar putea fi interpretate sau descoperite coerența statistică cuantică, lasere și condensate. Un alt fenomen mai recent descoperit prin această abordare este corelația Bose-Einstein între particule și anti-particule.
Funcția de undă a două particule identice este simetrică sau antisimetrică în ceea ce privește permutarea celor două particule, în funcție de considerarea unor bosoni identici sau fermioni identici. Pentru particulele neidentice nu există simetrie de permutare și conform formalismului funcției de undă nu ar trebui să existe o corelație Bose – Einstein sau Fermi-Dirac între aceste particule. Acest lucru se aplică în special pentru o pereche de particule formate dintr-un pion pozitiv și unul negativ. Totuși, acest lucru este adevărat doar într-o primă aproximare: dacă se ia în considerare posibilitatea ca un pion pozitiv și unul negativ să fie practic legați în sensul că pot anihila și transforma într-o pereche de doi pioni neutri (sau doi fotoni), adică o pereche de particule identice, ne confruntăm cu o situație mai complexă, care trebuie tratată în cadrul celei de-a doua abordări de cuantificare. Aceasta duce la un nou tip de corelații Bose-Einstein, și anume între pioni pozitivi și negativi, deși mult mai slabi decât cei dintre doi pioni pozitivi sau doi negativi. Pe de altă parte, nu există o astfel de corelație între un pion încărcat și unul neutru. Vorbind liber, un pion pozitiv și unul negativ sunt mai puțin inegali decât un pion pozitiv și unul neutru. În mod similar, BEC între doi pioni neutri este oarecum mai puternică decât cei dintre doi pioni neutri: cu alte cuvinte, doi pioni neutri sunt „mai identici” decât doi pioni negativi (pozitivi).
Natura surprinzătoare a acestor efecte speciale BEC a făcut titluri în literatura de specialitate. Aceste efecte ilustrează superioritatea abordării teoretice de cuantificare a câmpului, comparativ cu formalismul funcției de undă. Ele ilustrează, de asemenea, limitele analogiei dintre interferometria fizicii optice și a particulelor: demonstrează că corelațiile Bose – Einstein dintre doi fotoni sunt diferite de cele dintre doi pioni încărcați identic, o problemă care a dus la neînțelegeri în literatura teoretică și care a fost elucidată în.