Naukowcy badający neutrina w gęstych środowiskach, takich jak supernowe i gwiazda neutronowa fuzje odkryły, że te „cząstki widma” mogą się splątać, dzieląc stany kwantowe i ewoluując chaotycznie.
To nowe zrozumienie zachowania neutrin, potwierdzone symulacjami numerycznymi, sugeruje znaczący wpływ na dynamikę supernowych i syntezę pierwiastków, potencjalnie rzucając światło na tajemniczą mechanikę tych kosmicznych eksplozji.
Ponieważ oddziałują tak słabo ze zwykłą materią, neutrina w Modelu Standardowym Fizyki Cząstek nazywane są „cząstkami duchami”. Ciekawą właściwością neutrin jest to, że mogą zmieniać swoją tożsamość lub „smak” podczas interakcji. Naukowcy niedawno odkryli, że neutrina w bardzo gęstym środowisku mogą tworzyć silne korelacje (innymi słowy splątanie kwantowe) poprzez wzajemne interakcje. Może to nastąpić w przypadku supernowych z zapadnięciem się jądra lub łączenia się gwiazd neutronowych. Z biegiem czasu neutrina o różnych początkowych zapachach osiągają podobny smak równowagi i rozkład energii.
Neutrina w supernowych
Supernowa powodująca zapadnięcie się jądra, taka jak ta, którą naukowcy zaobserwowali w Wielkim Obłoku Magellana w 1987 roku, jest krzykiem śmierci masywnej gwiazdy. Te supernowe to kosmiczne fabryki wytwarzające takie pierwiastki jak sód i aluminium. Naukowcy szacują, że 99% energii uwolnionej w supernowej jest porywane przez neutrina. Neutrino o smaku elektronowym i jego antycząstka są szczególnie ważne w przekazywaniu energii i syntezie pierwiastków w supernowej. Znajomość energii stanów smakowych tych neutrin pomaga naukowcom zrozumieć, w jaki sposób wybucha supernowa z zapadnięciem się jądra i jakie pierwiastki tworzy.
Złożoność kwantowa w neutrinach
Naukowcy wiedzą od kilkudziesięciu lat, że ewolucja smaku neutrin wewnątrz supernowej z zapadnięciem się jądra jest skomplikowanym procesem mechaniki kwantowej. Większość istniejącej literatury na temat tego procesu opiera się na przybliżeniu najniższego rzędu kwantowej wersji równania transportu neutrin. Jednak to podejście ignoruje wielociałowe splątanie smakowych stanów kwantowych neutrin.
Odsłonięcie chaosu kwantowego i jego konsekwencji
Niedawno naukowcy zbadali korelacje kwantowe powstałe w wyniku zachowania splątania zaniedbanego we wcześniejszych badaniach tego problemu. Odkryli, że interakcję między neutrinami można dobrze przybliżyć, korzystając z wyników teorii macierzy losowej. Odkrycie to sugeruje również, że stany kwantowe neutrin będą ewoluować chaotycznie, gdy oddziałują ze sobą. Wynik ten został następnie potwierdzony szczegółowymi symulacjami numerycznymi, które wykazały pojawienie się tego chaotycznego zachowania.
Wyniki liczbowe pokazują również, że po interakcji przez wystarczająco długi czas każde pojedyncze neutrino daje podobny stan o mieszanym pędzie i smaku. Nowy wynik można zintegrować z symulacjami numerycznymi supernowych powodujących zapadnięcie się jądra. Może to rzucić nowe światło na mechanizm eksplozji i nukleosyntezę w tych potężnych kosmicznych wydarzeniach.
Odniesienie: „Equilibracja kwantowych oscylacji szybkiego neutrina wielu ciał” autorstwa Joshuy D. Martina, Duffa Neilla, A. Roggero, Huaiyu Duana i J. Carlsona, 7 grudnia 2023 r., Przegląd fizyczny D.
DOI: 10.1103/PhysRevD.108.123010
Badania te były wspierane przez Biuro Naukowe Departamentu Energii (DOE), program Fizyki Jądrowej i Centrum Nauki Kwantowej, Narodowe Centrum Badań nad Informacją Kwantową DOE.
