ТрансрупорТ Физики давно подозревали, что строительные блоки протонов испытывают квантовую запутанность. Теперь у ученых есть первое прямое доказательство этого — они получили его после использования приема для выведения энтропии субатомных частиц.
Ученые заглянули внутрь протонов и обнаружили, что кварки и глюоны, их основные строительные блоки, испытывают квантовую запутанность.
Запутанные частицы связаны друг с другом, так что изменение одной из них мгновенно вызывает изменение другой, даже если они разделены огромными расстояниями. Альберт Эйнштейн, как известно, отверг эту идею, но более поздние эксперименты доказали, что эффект реален.
Физики и раньше наблюдали запутанность между кварками, но никогда не находили доказательств того, что они существуют в квантово-связанном состоянии внутри протонов.
Теперь группа исследователей обнаружила запутанность между кварками и глюонами внутри протонов на расстоянии одной квадриллионной метра, что позволяет частицам обмениваться информацией через протон. Исследователи опубликовали свои выводы в журнале Reports on Progress in Physics.
На протяжении десятилетий у физиков был традиционный взгляд на протон как на совокупность кварков и глюонов, и они были сосредоточены на понимании так называемых одночастичных свойств, включая то, как кварки и глюоны распределены внутри протона. Теперь, с доказательствами того, что кварки и глюоны запутаны, эта картина изменилась. У ученых есть гораздо более сложная, динамическая система.
Экспериментальное доказательство квантовой запутанности впервые появилось в 1970-х годах, но многие аспекты этого явления остаются относительно неизученными, включая запутанные взаимодействия между кварками. Это в основном связано с тем, что субатомные частицы не существуют сами по себе, а вместо этого сливаются в различные комбинации частиц, известные как адроны. Например, барионы, такие как протоны и нейтроны, представляют собой комбинации трех кварков, прочно связанных вместе глюонами, переносящими сильное взаимодействие.
Когда отдельные кварки отрываются от адронов, энергия, используемая для их извлечения, делает их нестабильными, превращая их в разветвляющиеся струи частиц в процессе, называемом адронизацией. Это делает задачу просеивания триллионов продуктов распада частиц для восстановления их исходного состояния невероятно сложной.
Но именно это и сделали авторы исследования. Чтобы глубже погрузиться во внутреннюю работу протонов, ученые изучили данные, собранные в ходе экспериментов по коллайдеру частиц на Большом адронном коллайдере (БАК) и кольцевом ускорителе адронов и электронов (HERA).
Затем они применили принцип квантовой информатики, согласно которому энтропия системы (мера того, в скольких энергетических состояниях может находиться система, часто неправильно называемая «хаосом») увеличивается с ее запутанностью, из-за чего распределение потоков частиц становится более беспорядочным.
Сравнивая распыление частиц с расчетами их энтропии, физики обнаружили, что кварки и глюоны внутри сталкивающихся протонов существуют в максимально запутанном состоянии, каждый из которых обменивается максимально возможной информацией.
Энтропия обычно связана с неопределенностью некоторой информации, в то время как запутанность приводит к «обмену» информацией между двумя запутанными сторонами. Так что эти две стороны могут быть связаны друг с другом в квантовой механике. Авторы использовали предсказанную энтропию (с предполагаемой запутанностью), чтобы свериться с тем, что говорят данные, и обнаружили совпадение.
Открытие может помочь почерпнуть больше информации о фундаментальных частицах — например, о том, как кварки и глюоны остаются запертыми внутри протонов. Исследование также вызвало дополнительные вопросы о том, как запутанность изменяется, когда протоны заперты внутри атомных ядер.
Поскольку ядра состоят из протонов и нейтронов, естественно задаться вопросом, что запутанность сделает со структурой ядер. Теперь физики планируют использовать электронно-ионный коллайдер (EIC) для изучения этого примерно через 10 лет.
https://zoom.cnews.ru/rnd/article/item/uchenye_zaglyanuli_vnutr_protonov__tam_obnaruzhilas_zhutkaya_kvantovaya