¿Es posible detectar una partícula, sin transferencia de energía?

Question

Estoy leyendo un libro sobre la única de detección de partículas y detectores de partículas en general. Todos los detectores en el libro se basan en una transferencia de energía de la partícula para el detector en forma de ionización, la activación, efecto foto, etc. Me pregunto si es posible detectar las partículas incidentes de cualquier forma con un detector, sin que exista una transferencia de energía entre las partículas y el detector.

Quiero explícitamente descartar procesos en los que la presencia de una partícula es, teóricamente, deducido a partir de la medición de otra partícula, donde la transferencia de energía es permitido.

En una nota de lado, sería interesante escuchar de conceptos, donde la transferencia de energía es negativa (es decir, desde el detector de partículas).

Answer 1

Detección de todos requiere una señal, que a su vez requiere energía. No se detecta sin tomar energía de la señal!

Answer 2

Podemos utilizar un qubit como un detector de partículas que no cambia la partícula de la energía. Esto se puede implementar de la siguiente manera. Comenzamos con un qubit inicializado en el estado $\left|0\right>$ y aplicamos la puerta de Hadamard $U$ que actúa de la siguiente manera:

$$ \begin{split} U\left|0\right> &= \frac{1}{\sqrt{2}}\left[\left|0\right\rangle + \left|1\right\rangle\right]\\ U\left|1\right> &= \frac{1}{\sqrt{2}}\left[\left|0\right\rangle - \left|1\right\rangle\right] \end{split} $$

Tenga en cuenta que $U$ es su propio inverso, de manera que al aplicar $U$ nuevo traerá el qubit de nuevo al estado $\left|0\right\rangle$ empezamos con. Pero ahora consideremos lo que sucede si durante el tiempo que el qubit pasa de ser una superposición de $\left|0\right\rangle$ $\left|1\right\rangle$ una partícula choca con ella, pero de modo tal que ninguna energía se intercambia. A continuación, el qubit se quedan enganchadas con la partícula, por lo que el qubit-sistema de partículas estará en un estado de la forma:

$$\left|\psi\right\rangle = \frac{1}{\sqrt{2}}\left[\left|0\right\rangle \left|D_0\right\rangle + \left|1\right\rangle\left|D_1\right\rangle\right]$$

donde los estados $\left|D_{i}\right\rangle$ son las partículas de los estados después de la dispersión de la qubit en el estado de $\left|i\right\rangle$. Se podría pensar que debido a que el qubit no fue afectada por el tipo de interacción, se puede realizar una medición sobre el qubit del estado para averiguar que ha interactuado con una partícula. Pero mira lo que pasa si aplicamos la puerta de Hadamard de nuevo a la qubit:

$$U\left|\psi\right\rangle =\left|0\right\rangle\left|D^{+}\right\rangle+\left|1\right\rangle \left|D^{-}\right\rangle$$

donde $D^{\pm} = \frac{1}{2}\left[\left|D_0\right\rangle\pm\left|D_1\right\rangle\right]$

Así que, si no hubiera habido interacción, el qubit habría devuelto al estado inicial,$\left|0\right\rangle$, pero ahora nos encontramos con una enredada estado del qubit y la partícula tal que ahora hay una probabilidad finita de encontrar el qubit en el estado $\left|1\right\rangle$, a pesar del hecho de que el choque con las partículas que sucedió en un puramente elástico de manera tal que no afecten el estado físico de los qubit en cualquier forma en el momento de la colisión. La probabilidad de encontrar el qubit en el estado $\left|1\right\rangle$$\frac{1}{2}\left[1-\operatorname{Re}\left\langle D_0\right|D_1\left.\right\rangle\right]$, por lo que depende de la superposición entre las dos partículas estados correspondientes a la dispersión de la qubit en los dos estados de la superposición.

Si los estados se $\left|D_i\right\rangle$ son ortogonales, entonces usted tiene 50% de probabilidad de encontrar el qubit en los estados $\left|0\right\rangle$$\left|1\right\rangle$; la densidad de la matriz después de trazar la partícula estado es $\frac{1}{2}\left[\left|0\right\rangle\langle 0| + \left|1\right\rangle\langle 1|\right]$.

Answer 3

Como norma general, en orden a detectar un conjunto de emocionados estados cuánticos que tienen a la entrada de la energía necesaria para excitar el oscilador armónico modos de esos estados. Si desea detectar la partícula de Higgs, que se produce en $125$GeV de energía que necesita para impartir esa energía en el vacío emocionantes modos virtuales a través de una interacción con al menos esa cantidad de energía. Hay también las consecuencias de la medición de la fidelidad, que requiere mucha más energía para hacer la señal robusta. El Tevatron de Fermilab hizo aparecer para detectar las partículas de Higgs en el TeV nivel de energía, pero las estadísticas no eran lo suficientemente buenos para reclamar la detección. Ahora el salto a la escala de Planck, donde para detectar la gravedad cuántica tiene para excitar los modos de $10^{19}$GeV de energía lagunas, dicen desde el vacío a la generación de una cantidad de agujero negro. Para hacer de la gravedad cuántica experimentos, significa que uno debe tener la energía de interacción en esta escala. Esto hace que la gravedad cuántica de muy difícil o imposible de hacer en el laboratorio.

Hay algunas otras formas más sutiles de la detección de las cosas. El Cordero cambio es de baja energía detección de QED procesos que se dividen los niveles de energía del átomo. El Cordero cambio es en el microondas de dominio que está lejos en el IR de dominio de la brecha de energía de la $^2S_{1/2}$ $^2P_{1/2}$ los niveles de energía. Esto implica la detección de un estado excitado, pero con mucho menor de energía que la energía principal-la brecha de la teoría. En el caso de la gravedad cuántica, estas brechas son la formación de la radiación de Hawking, que es mucho más IR de Planck la energía. Para el modelo estándar de la física de que esto podría ocurrir en sutiles correcciones a los estados electrónicos de los átomos como la función de onda tiene una pequeña "exponencial colas" en el núcleo por lo que podría ser débiles corrientes neutrales que perturban estados electrónicos. Hubo propuestas a lo largo de estas líneas en la década de 1970, pero no estoy seguro de lo que salió de eso.

Hay otras sutiles medidas, tales como el débil de quantum de las mediciones. En la final, aunque uno debe tiene un detector que registra un voltaje. Algunas medidas no implican ninguna tensión, tales como el uso de la polarización del vector eléctrico en fotones a hacer un "no a la medición de una bomba escondida. Sin embargo, si una bomba no está presente un homodyne detector registra una tensión. Es probable que no sea físicamente posible medir algo sin tener un poco de acoplamiento que puede transferir energía o impulso a un detector de la aguja o del estado.

Answer 4

Se puede hacer ese tipo de mediciones indirectas. Imagino que quería detectar, por ejemplo, una caída de nivel del electrón: sería tan fácil para controlar si ha sido emitido un fotón o no. No estarías tomando energía de los electrones, pero lo haría desde el fotón.

Answer 5

Re: transferencia de energía negativa - por ejemplo un electrón que es acelerado en el campo eléctrico toma cantidad mensurable de la energía del campo, que es detectable.