В фундаментальном открытии, которое бросает вызов традиционному пониманию структуры материи, ученые впервые обнаружили квантовую запутанность между кварками и глюонами внутри отдельных протонов. Это явление, ранее считавшееся прерогативой отдельных частиц, теперь, как выяснилось, проявляется в самом сердце протонов на невероятно малых масштабах – всего одна квадриллионная метра.
Квантовая запутанность, которую Альберт Эйнштейн назвал «жутким действием на расстоянии», описывает связь между частицами, где изменение состояния одной из них мгновенно влияет на состояние другой, независимо от расстояния между ними. Эта концепция, долгое время казавшаяся парадоксальной, была подтверждена экспериментально, но её обнаружение внутри протона открывает совершенно новые горизонты в изучении фундаментальных сил природы.
Протоны, как известно, состоят из кварков и глюонов – фундаментальных строительных блоков материи. До сих пор основное внимание уделялось изучению «одночастичных свойств» и распределению кварков и глюонов внутри протонов. Новое открытие показало, что кварки и глюоны не только взаимодействуют, но и квантово запутываются, превращая протон в гораздо более сложную и динамичную систему, чем предполагалось ранее.
Изучение запутанности кварков сопряжено с серьезными трудностями. Кварки не существуют в свободном виде; они объединяются, образуя адроны, такие как протоны и нейтроны (барионы), где три кварка удерживаются вместе силами, переносимыми глюонами. Высвобождение кварков из адронов делает их нестабильными, что приводит к процессу, называемому адронизацией, когда кварки превращаются в струи частиц. Реконструкция исходного состояния из этих продуктов распада представляет собой сложную задачу.
Для совершения открытия ученые использовали данные, полученные на Большом адронном коллайдере (LHC) и ускорителе HERA (Hadron-Electron Ring Accelerator). Они применили принципы квантовой информатики, связав запутанность с энтропией — мерой энергетических состояний, которую часто называют беспорядком. Энтропия возрастает по мере усиления запутанности, что приводит к более «запутанному» распределению частиц. Сравнивая распределение частиц с расчетами энтропии, исследователи обнаружили, что кварки и глюоны внутри протонов находятся в состоянии максимальной запутанности, то есть они обмениваются максимально возможным количеством информации.
Это открытие может пролить свет на то, как кварки и глюоны удерживаются внутри протонов. Оно также поднимает вопросы о том, как запутанность изменяется внутри атомных ядер. Эти вопросы будут исследованы с использованием новых ускорителей частиц, таких как электрон-ионный коллайдер (EIC), который должен быть запущен примерно через 10 лет. Также могут быть полезными ультрапериферические столкновения тяжелых ионов.
Результаты этого исследования опубликованы в журнале "Reports on Progress in Physics" 2 декабря 2024 года, а одним из авторов является физик Чжоудунмин Ту из Брукхейвенской национальной лаборатории в Аптоне, штат Нью-Йорк.
Изображение носит иллюстративный характер
Квантовая запутанность, которую Альберт Эйнштейн назвал «жутким действием на расстоянии», описывает связь между частицами, где изменение состояния одной из них мгновенно влияет на состояние другой, независимо от расстояния между ними. Эта концепция, долгое время казавшаяся парадоксальной, была подтверждена экспериментально, но её обнаружение внутри протона открывает совершенно новые горизонты в изучении фундаментальных сил природы.
Протоны, как известно, состоят из кварков и глюонов – фундаментальных строительных блоков материи. До сих пор основное внимание уделялось изучению «одночастичных свойств» и распределению кварков и глюонов внутри протонов. Новое открытие показало, что кварки и глюоны не только взаимодействуют, но и квантово запутываются, превращая протон в гораздо более сложную и динамичную систему, чем предполагалось ранее.
Изучение запутанности кварков сопряжено с серьезными трудностями. Кварки не существуют в свободном виде; они объединяются, образуя адроны, такие как протоны и нейтроны (барионы), где три кварка удерживаются вместе силами, переносимыми глюонами. Высвобождение кварков из адронов делает их нестабильными, что приводит к процессу, называемому адронизацией, когда кварки превращаются в струи частиц. Реконструкция исходного состояния из этих продуктов распада представляет собой сложную задачу.
Для совершения открытия ученые использовали данные, полученные на Большом адронном коллайдере (LHC) и ускорителе HERA (Hadron-Electron Ring Accelerator). Они применили принципы квантовой информатики, связав запутанность с энтропией — мерой энергетических состояний, которую часто называют беспорядком. Энтропия возрастает по мере усиления запутанности, что приводит к более «запутанному» распределению частиц. Сравнивая распределение частиц с расчетами энтропии, исследователи обнаружили, что кварки и глюоны внутри протонов находятся в состоянии максимальной запутанности, то есть они обмениваются максимально возможным количеством информации.
Это открытие может пролить свет на то, как кварки и глюоны удерживаются внутри протонов. Оно также поднимает вопросы о том, как запутанность изменяется внутри атомных ядер. Эти вопросы будут исследованы с использованием новых ускорителей частиц, таких как электрон-ионный коллайдер (EIC), который должен быть запущен примерно через 10 лет. Также могут быть полезными ультрапериферические столкновения тяжелых ионов.
Результаты этого исследования опубликованы в журнале "Reports on Progress in Physics" 2 декабря 2024 года, а одним из авторов является физик Чжоудунмин Ту из Брукхейвенской национальной лаборатории в Аптоне, штат Нью-Йорк.
