Учёные достигли прорыва в квантовой физике: впервые зафиксировано квантовое запутывание в протонах

В международной научной команде совершили прорыв в исследовании квантовой физики, впервые обнаружив квантовую запутанность между кварками и глюонами, составляющими протон — элементарную частицу внутри атомных ядер.

Квантовая запутанность представляет собой удивительное явление, при котором состояния двух частиц мгновенно связываются и оказывают влияние друг на друга, независимо от расстояния, даже если их разделяют бескрайние просторы Вселенной. Несмотря на первоначальные сомнения Эйнштейна, который описывал этот эффект как «странный», оно не раз было подтверждено экспериментами.

Научный проект, на реализацию которого ушло шесть лет, позволил исследовать квантовую запутанность на беспрецедентно малых расстояниях — порядка квадриллионной доли метра, — обнаружив это явление внутри отдельных протонов.

«До нас никто не изучал явление запутанности внутри протона, используя данные столкновений высоких энергий. Долгие годы протон воспринимался как набор изолированных кварков и глюонов, где внимание уделялось отдельным частицам. Теперь, получив доказательства их взаимосвязи, наше понимание этой системы стало более сложным и динамичным», — поясняет физик брукхейвенской лаборатории Жоудунмин Ту.

С целью изучения микроструктуры протонов исследователи проанализировали данные о высокоэнергетических столкновениях частиц, собранные на Большом адронном коллайдере (БАК) и ускорителе HERA. Используя методику, разработанную в 2017 году, они исследовали, как запутанность сказывается на траекториях частиц, образующихся после столкновений.

Теоретик Лаборатории Брукхейвена Дмитрий Харзеев объясняет: «В условиях максимальной запутанности кварков и глюонов существует несложная зависимость, которая позволяет прогнозировать энтропию образующихся частиц при высокоэнергетическом столкновении». Сопоставление экспериментальных данных с теоретическими прогнозами энтропии показало полное соответствие, что неопровержимо доказывает максимальную степень запутанности кварков и глюонов внутри протов.

Это открытие может пролить свет на природу взаимодействий, удерживающих фундаментальные частицы внутри атомных ядер. Более того, полученные результаты открывают перспективы в изучении более серьезных вопросов ядерной физики, например, как изменяется структура протонов под воздействием соседних протонов и нейтронов в атомном ядре.

«Для ответов на этот вопрос нам необходимо столкнуть электроны не только с одиночными протонами, но и с целыми ядрами», — отметил Ту. Это станет одной из главных задач исследований на новом электрон-ионном коллайдере (EIC) в брукхейвенской лаборатории, который планируется ввести в эксплуатацию к 2030 году.

Источник: iXBT