Физики из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США и Университета Стони-Брук обнаружили, что частицы, производимые в струях (джетах), сохраняют информацию о своём происхождении в субатомных столкновениях. Это открытие опубликовано в журнале Physical Review Letters с пометкой «Editor's Suggestion».
В течение долгого времени оставалась неясной связь между начальными условиями джета и итоговым распределением частиц. Новое исследование впервые показало прямую связь между квантовым понятием «энтропия запутанности» на самой ранней стадии формирования джета и теми частицами, которые появляются по мере его развития. Как подчеркнул Чарльз Джозеф Найм, научный сотрудник Центра передовых исследований в ядерной науке Университета Стони-Брук, «это исследование впервые устанавливает прямую связь между 'энтропией запутанности' на самой ранней стадии формирования джета и частицами, которые появляются по мере его эволюции».
Ученые проанализировали данные о частицах струй, возникающих при протон-протонных столкновениях, зафиксированные детектором ATLAS на Большом адронном коллайдере (LHC) — ускорителе длиной 27 километров, расположенном в CERN (Европейская организация по ядерным исследованиям). В результате столкновений кварки и глюоны, составляющие протоны, могут высвобождаться с высокой энергией и входить в процесс фрагментации — ветвления, приводящего к появлению новых композитных частиц, адронов. В основном это пионы, каоны и протоны, которые формируют хорошо различимую струю.
Ключевое понятие работы — энтропия запутанности, отражающая степень квантовой корреляции между кварками и глюонами. Исследование показало, что именно степень запутанности на этапе формирования джета определяет распределение и виды возникающих адронов.
В исследовании приняли участие Чарльз Джозеф Найм (основной исполнитель), Абхай Дешпанде (заведующий кафедрой, научный руководитель проекта коллайдера EIC в Брукхейвенской лаборатории), Жоудунмин Ту, Дмитрий Харзеев и Джайдиип Датта.
Прошлогоднее исследование Жоудунмина Ту и Дмитрия Харзеева уже показывало связь между запутанностью внутри протонов и распределением частиц, возникающих при столкновениях протонов и электронов с протонами. Было установлено, что высокая энтропия запутанности приводит к большей «хаотичности» распределения частиц.
Гипотеза о максимальной запутанности предсказывала связь между функцией фрагментации джета и энтропией (степенью беспорядка) в системе адронов, формирующихся из джета. Высокая энтропия наблюдается как большое разнообразие адронов, преимущественно пионов, каонов и протонов, регистрируемых детекторами. Совпадение экспериментальных данных с этими предсказаниями указывает на максимальную запутанность в системе кварков и глюонов на момент фрагментации.
Данные, полученные в ходе анализа столкновений протонов на LHC, подтвердили: распределение адронов в джетах соответствует модели максимальной запутанности, заложенной на самой ранней стадии формирования струи.
Дмитрий Харзеев отмечает, что эта работа открывает новый взгляд на процесс фрагментации на квантовом уровне. Результаты позволяют изучать, как квантовая запутанность влияет на формирование адронов, и открывают возможности для дальнейших исследований.
В ближайшем будущем запуск нового коллайдера — Electron-Ion Collider (EIC), строящегося в Брукхейвенской лаборатории при активном участии сотрудников и студентов Университета Стони-Брук, предоставит уникальные возможности для точных измерений квантовой запутанности в высокоэнергетических столкновениях. EIC позволит сравнивать джеты от столкновений электронов с протонами и ядрами, что даст возможность исследовать степень проявления квантовых эффектов внутри ядер и их влияние на структуру протонов.
Эксперимент ATLAS стал основным источником данных для работы. Исследованы пионы, каоны и протоны — главные представители адронов в джетах. В центре внимания оказались такие квантовые свойства, как энтропия запутанности, процессы фрагментации и адронизации.
Изображение носит иллюстративный характер
В течение долгого времени оставалась неясной связь между начальными условиями джета и итоговым распределением частиц. Новое исследование впервые показало прямую связь между квантовым понятием «энтропия запутанности» на самой ранней стадии формирования джета и теми частицами, которые появляются по мере его развития. Как подчеркнул Чарльз Джозеф Найм, научный сотрудник Центра передовых исследований в ядерной науке Университета Стони-Брук, «это исследование впервые устанавливает прямую связь между 'энтропией запутанности' на самой ранней стадии формирования джета и частицами, которые появляются по мере его эволюции».
Ученые проанализировали данные о частицах струй, возникающих при протон-протонных столкновениях, зафиксированные детектором ATLAS на Большом адронном коллайдере (LHC) — ускорителе длиной 27 километров, расположенном в CERN (Европейская организация по ядерным исследованиям). В результате столкновений кварки и глюоны, составляющие протоны, могут высвобождаться с высокой энергией и входить в процесс фрагментации — ветвления, приводящего к появлению новых композитных частиц, адронов. В основном это пионы, каоны и протоны, которые формируют хорошо различимую струю.
Ключевое понятие работы — энтропия запутанности, отражающая степень квантовой корреляции между кварками и глюонами. Исследование показало, что именно степень запутанности на этапе формирования джета определяет распределение и виды возникающих адронов.
В исследовании приняли участие Чарльз Джозеф Найм (основной исполнитель), Абхай Дешпанде (заведующий кафедрой, научный руководитель проекта коллайдера EIC в Брукхейвенской лаборатории), Жоудунмин Ту, Дмитрий Харзеев и Джайдиип Датта.
Прошлогоднее исследование Жоудунмина Ту и Дмитрия Харзеева уже показывало связь между запутанностью внутри протонов и распределением частиц, возникающих при столкновениях протонов и электронов с протонами. Было установлено, что высокая энтропия запутанности приводит к большей «хаотичности» распределения частиц.
Гипотеза о максимальной запутанности предсказывала связь между функцией фрагментации джета и энтропией (степенью беспорядка) в системе адронов, формирующихся из джета. Высокая энтропия наблюдается как большое разнообразие адронов, преимущественно пионов, каонов и протонов, регистрируемых детекторами. Совпадение экспериментальных данных с этими предсказаниями указывает на максимальную запутанность в системе кварков и глюонов на момент фрагментации.
Данные, полученные в ходе анализа столкновений протонов на LHC, подтвердили: распределение адронов в джетах соответствует модели максимальной запутанности, заложенной на самой ранней стадии формирования струи.
Дмитрий Харзеев отмечает, что эта работа открывает новый взгляд на процесс фрагментации на квантовом уровне. Результаты позволяют изучать, как квантовая запутанность влияет на формирование адронов, и открывают возможности для дальнейших исследований.
В ближайшем будущем запуск нового коллайдера — Electron-Ion Collider (EIC), строящегося в Брукхейвенской лаборатории при активном участии сотрудников и студентов Университета Стони-Брук, предоставит уникальные возможности для точных измерений квантовой запутанности в высокоэнергетических столкновениях. EIC позволит сравнивать джеты от столкновений электронов с протонами и ядрами, что даст возможность исследовать степень проявления квантовых эффектов внутри ядер и их влияние на структуру протонов.
Эксперимент ATLAS стал основным источником данных для работы. Исследованы пионы, каоны и протоны — главные представители адронов в джетах. В центре внимания оказались такие квантовые свойства, как энтропия запутанности, процессы фрагментации и адронизации.
