Naukowcy z Brookhaven Lab odkryli, że kwarki i gluony wewnątrz protonów są splątane, co zmienia zrozumienie struktury protonów.
Korzystając z informatyki kwantowej, potwierdzili przewidywania teoretyczne danymi dotyczącymi kolizji, torując drogę do badań w Zderzaczu Elektronowo-Jonowym.
Zaglądanie do wnętrza protonów za pomocą nauki kwantowej
Naukowcy z Narodowego Laboratorium Brookhaven Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych wraz ze swoimi współpracownikami opracowali nowatorską metodę badania wewnętrznego działania protonów. Korzystając z informatyki kwantowej, analizują dane ze zderzeń wysokoenergetycznych elektron-proton, aby stworzyć mapę sposobu, w jaki ścieżki cząstek kształtują się w wyniku splątania kwantowego w protonie.
Odkrycia ujawniają, że kwarki i gluony – podstawowe cząstki tworzące strukturę protonu – ulegają splątaniu kwantowemu. Zjawisko to, nazwane przez Alberta Einsteina „upiornym działaniem na odległość”, umożliwia cząstkom wymianę informacji o ich stanach, takich jak kierunek wirowania, nawet gdy są rozdzielone. Jednak w przypadku protonów to splątanie zachodzi w zdumiewająco małych skalach – mniejszych niż jedna biliardowa metra – i rozciąga się na całą grupę kwarków i gluonów w protonie.
Mapowanie wpływu splątania
Najnowsza praca zespołu, opublikowana 2 grudnia w czasopiśmie Raporty o postępie w fizyce (ROPP)podsumowuje sześcioletnie wysiłki badawcze grupy. Odwzorowuje dokładnie, jak splątanie wpływa na rozkład stabilnych cząstek, które wyłaniają się pod różnymi kątami w wyniku zderzeń cząstek, gdy kwarki i gluony uwolnione w zderzeniach łączą się, tworząc nowe cząstki złożone.
To nowe spojrzenie na splątanie między kwarkami i gluonami dodaje warstwę złożoności do ewoluującego obrazu wewnętrznej struktury protonów. Może także zapewnić wgląd w inne obszary nauki, w których splątanie odgrywa rolę.
Dynamiczny układ struktury protonowej
„Zanim wykonaliśmy tę pracę, nikt nie patrzył na splątanie wewnątrz protonu w danych eksperymentalnych dotyczących zderzeń wysokoenergetycznych” – powiedział fizyk Zhoudunming (Kong) Tu, współautor artykułu i współautor tych badań od czasu dołączenia do Brookhaven Lab w 2018 r. „Przez dziesięciolecia tradycyjnie postrzegaliśmy proton jako zbiór kwarków i gluonów i skupialiśmy się na zrozumieniu tzw. pojedynczych cząstek właściwości, w tym sposób rozmieszczenia kwarków i gluonów wewnątrz protonu.
„Teraz, gdy dowiedziono, że kwarki i gluony są splątane, obraz ten uległ zmianie. Mamy znacznie bardziej skomplikowany, dynamiczny system” – powiedział. „Najnowszy artykuł pogłębia naszą wiedzę na temat wpływu splątania na strukturę protonów”.
Mapowanie splątania między kwarkami i gluonami wewnątrz protonów mogłoby zapewnić wgląd w inne złożone zagadnienia fizyki jądrowej, w tym wpływ bycia częścią większego jądra na właściwości protonów. Będzie to jednym z głównych celów przyszłych eksperymentów w ośrodku Zderzacz elektronowo-jonowy (EIC), ośrodek badawczy zajmujący się fizyką jądrową, którego otwarcie w Brookhaven Lab ma nastąpić w latach trzydziestych XXI wieku. Narzędzia opracowywane przez tych naukowców umożliwią przewidywanie eksperymentów EIC.
Zrozumienie entropii i zderzeń cząstek
W tym badaniu naukowcy wykorzystali język i równania informatyki kwantowej, aby przewidzieć, jak splątanie powinno wpłynąć na cząstki strumieniowe powstające w wyniku zderzeń elektron-proton. Takie zderzenia są powszechnym podejściem do badania struktury protonów, ostatnio w zderzaczu cząstek Hadron-Electron Ring Accelerator (HERA) w Hamburgu w Niemczech w latach 1992–2007 i są planowane w przyszłych eksperymentach EIC.
To podejście, opublikowany w 2017 r. został opracowany przez Dmitrija Kharzeeva, teoretyka powiązanego zarówno z Brookhaven Lab, jak i Stony Brook University, który jest współautorem artykułu, oraz Eugene’a Levina z Uniwersytetu w Tel Awiwie. Równania przewidują, że jeśli kwarki i gluony są splątane, można to odkryć na podstawie entropii, czyli nieporządku, zderzenia.
„Pomyśl o brudnej sypialni dziecka, w której porozrzucane jest pranie i inne rzeczy. W tym zdezorganizowanym pomieszczeniu entropia jest bardzo wysoka” – powiedział Tu, porównując to z sytuacją niskiej entropii w jego niezwykle schludnym garażu, gdzie każde narzędzie jest na swoim miejscu.
Według obliczeń protony z maksymalnie splątanymi kwarkami i gluonami – o wysokim stopniu „entropii splątania” – powinny wytworzyć dużo cząstek o „niechlujnym” rozkładzie – o wysokim stopniu entropii.
„Dla maksymalnie splątanego stanu kwarków i gluonów istnieje prosta zależność, która pozwala nam przewidzieć entropię cząstek powstałych w wyniku zderzenia wysokoenergetycznego” – powiedział Kharzeev. „W naszym artykule sprawdziliśmy tę zależność, korzystając z danych eksperymentalnych”.
Testowanie prognoz za pomocą analizy danych
Naukowcy rozpoczęli od analizowanie danych pochodzących ze zderzeń proton-proton w europejskim Wielkim Zderzaczu Hadronów, ale chcieli także przyjrzeć się „czystszym” danym uzyskanym w wyniku zderzeń elektron-proton. Wiedząc, że minie trochę czasu, zanim EIC się włączy, Tu dołączył do jednego z eksperymentów HERA, znanego jako H1, w ramach którego nadal od czasu do czasu spotyka się załoga emerytowanych fizyków, aby omówić swój eksperyment.
Tu współpracował z fizykiem Stefanem Schmittem, obecnym współrzecznikiem H1 z Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), przez trzy lata w celu eksploracji starych danych. Para skatalogowała szczegółowe informacje na podstawie danych zarejestrowanych w latach 2006–2007, w tym zmiany w produkcji i rozkładzie cząstek, a także szeroki zakres innych informacji na temat zderzeń, które wytworzyły takie rozkłady. Oni opublikowany wszystkie dane, aby inni mogli z nich korzystać.
Kiedy fizycy porównali dane HERA z obliczeniami entropii, wyniki idealnie zgadzały się z przewidywaniami. Analizy te, w tym najnowsze ROPP Wyniki dotyczące zmian rozkładu cząstek pod różnymi kątami od punktu zderzenia dostarczają mocnych dowodów na to, że kwarki i gluony wewnątrz protonów są maksymalnie splątane.
Wyniki i metody pomagają położyć podwaliny pod przyszłe eksperymenty w EIC.
Interakcje silnych sił i zjawiska pojawiające się
Kharzeev zauważył, że odkrycie splątania między kwarkami i gluonami rzuca światło na naturę ich oddziaływań silnych. Może zapewnić dodatkowy wgląd w to, co utrzymuje kwarki i gluony w zamknięciu w protonach, co jest jednym z głównych zagadnień fizyki jądrowej, które będą badane w EIC.
„Maksymalne splątanie wewnątrz protonu pojawia się w wyniku silnych oddziaływań, w wyniku których powstaje duża liczba par kwark-antykwark i gluonów” – powiedział.
Oddziaływania silne — wymiana jednego lub większej liczby gluonów między kwarkami — zachodzą pomiędzy poszczególnymi cząstkami. Może to brzmieć jak najprostszy opis splątania, w którym dwie pojedyncze cząstki mogą się o sobie dowiedzieć, niezależnie od tego, jak daleko się od siebie znajdują. Jednak splątanie, które w rzeczywistości jest wymianą informacji, jest interakcją obejmującą cały system.
„Splątanie zachodzi nie tylko pomiędzy dwiema cząstkami, ale pomiędzy wszystkimi cząsteczkami” – powiedział Kharzeev.
Modele statystyczne w fizyce złożonej
Teraz, gdy naukowcy mają już sposób na badanie tego zbiorowego splątania, narzędzia informatyki kwantowej mogą ułatwić zrozumienie niektórych problemów z zakresu fizyki jądrowej i cząstek elementarnych.
„Zderzenia cząstek mogą być niezwykle złożone i obejmować wiele etapów, które wpływają na wynik” – powiedział Tu. „Ale to badanie pokazuje, że niektóre wyniki, takie jak entropia pojawiających się cząstek, są zdeterminowane przez splątanie wewnątrz protonów przed ich zderzeniem. Entropia nie „opiekuje się” złożonością wszystkich etapów pośrednich. Być może więc moglibyśmy zastosować to podejście do badania innych złożonych zjawisk fizyki jądrowej, nie martwiąc się o szczegóły tego, co wydarzy się po drodze”.
Myślenie o zbiorowym zachowaniu całego układu, a nie o poszczególnych cząsteczkach, jest powszechne w innych obszarach fizyki, a nawet życia codziennego. Na przykład, gdy myślisz o garnku z wrzącą wodą, tak naprawdę nie wiesz o ruchu wibracyjnym każdej pojedynczej cząsteczki wody. Żadna pojedyncza cząsteczka wody nie może Cię spalić. To statystyczna średnia wszystkich wibrujących cząsteczek – ich zbiorowe zachowanie – powoduje powstanie właściwości temperatury i sprawia, że woda wydaje się gorąca. W podobny sposób zrozumienie zachowania jednego kwarku i gluonu nie przekłada się od razu na zachowanie protonu jako całości.
„Perspektywa fizyki zmienia się, gdy ma się razem tak wiele cząstek” – powiedział Tu, zauważając, że nauka o informacji kwantowej jest narzędziem do opisu statystycznego lub wyłaniającego się zachowania całego układu. „To podejście może dać wgląd w to, jak splątanie cząstek prowadzi do zachowania grupy” – powiedział Tu.
Badanie zachowania protonów w jądrach
Teraz, gdy naukowcy potwierdzili i zwalidowali swój model, chcą go wykorzystać w nowy sposób. Chcą na przykład dowiedzieć się, jak przebywanie w jądrze wpływa na proton.
„Aby odpowiedzieć na to pytanie, musimy zderzyć elektrony nie tylko z pojedynczymi protonami, ale z jądrami – jonami EIC” – powiedział Tu. „Bardzo pomocne będzie użycie tych samych narzędzi do obserwacji splątania w protonie osadzonym w jądrze – aby dowiedzieć się, jak środowisko jądrowe wpływa na niego”.
Czy umieszczenie protonu w bardzo ruchliwym środowisku jądrowym, otoczonym wieloma innymi oddziałującymi protonami i neutronami, zmyje splątanie poszczególnych protonów? Czy to środowisko jądrowe może odgrywać rolę w tak zwanej dekoherencji kwantowej?
„Przyglądanie się splątaniu w środowisku jądrowym z pewnością powie nam więcej o tym zachowaniu kwantowym – o tym, jak pozostaje ono spójne lub staje się dekoherentne – i dowie się więcej o tym, jak łączy się ono z tradycyjnymi zjawiskami fizyki jądrowej i cząstek elementarnych, które staramy się rozwiązać”, Tu powiedział.
„Wpływ środowiska jądrowego na protony i neutrony znajduje się w centrum nauki EIC” – powiedział Martin Hentschinski, współautor artykułu z Universidad de las Américas Puebla (UDLAP) w Meksyku.
Współautor Krzysztof Kutak z Polskiej Akademii Nauk dodał: „Jest wiele innych zjawisk, które chcemy wykorzystać do badania tego narzędzia, aby popchnąć nasze rozumienie struktury materii widzialnej na nowe granice”.
Odniesienie: „QCD ewolucja entropii splątania” Martina Hentschinskiego, Dmitriego E Kharzeeva, Krzysztofa Kutaka i Zhoudunminga Tu, 2 grudnia 2024 r., Raporty o postępie w fizyce.
DOI: 10.1088/1361-6633/ad910b
Badania te zostały sfinansowane przez Biuro Naukowe DOE, program badań i innowacji Unii Europejskiej „Horyzont 2020”, UDLAP Apoyos VAC 2024 oraz program badań i rozwoju laboratorium Brookhaven Lab.
