«С появлением доказательств того, что кварки и глюоны запутаны, эта картина изменилась. Мы имеем гораздо более сложную, динамичную систему».
Учёные использовали высокоэнергетические столкновения частиц, чтобы заглянуть внутрь протонов — частиц, которые находятся в ядрах всех атомов. Это впервые показало, что кварки и глюоны, составляющие протоны, испытывают явление квантовой запутанности.
Запутанность — это аспект квантовой физики, согласно которому две участвующие в нём частицы могут мгновенно влиять на «состояние» друг друга, независимо от того, насколько сильно они разделены — даже если они находятся на противоположных концах Вселенной. Альберт Эйнштейн основывал свои теории относительности на представлении о том, что ничто не может двигаться быстрее скорости света, что, однако, должно исключать мгновенный характер запутанности.
В результате Эйнштейн был настолько обеспокоен наличием запутанности, что назвал его «spukhafte Fernwirkung» или «жутким дальнодействием». Однако, несмотря на скептическое отношение Эйнштейна к запутыванию, это «жуткое» явление было подтверждено снова и снова. Многие из этих проверок были связаны с увеличением расстояния, на котором можно продемонстрировать запутанность. В новом тесте использовался противоположный подход: запутанность исследовалась на расстоянии всего в одну квадриллионную долю метра, и оказалось, что она действительно возникает внутри отдельных протонов.
Команда обнаружила, что обмен информацией, определяющий запутанность, происходит между целыми группами фундаментальных частиц, называемых кварками и глюонами, внутри протона.
«До нашей работы никто не рассматривал запутанность внутри протона в экспериментальных данных о высокоэнергетических столкновениях», — сказал в своём заявлении член команды, физик из Брукхейвенской лаборатории Чжоудунмин Ту. «В течение десятилетий мы традиционно рассматривали протон как совокупность кварков и глюонов и сосредоточились на понимании так называемых одночастичных свойств, включая то, как кварки и глюоны распределены внутри протона.
«Теперь, с появлением доказательств того, что кварки и глюоны запутаны, эта картина изменилась. Мы имеем гораздо более сложную, динамичную систему».
Исследование группы, ставшее кульминацией шестилетней работы, уточняет понимание учёными того, как запутанность влияет на структуру протонов.
Чтобы изучить внутреннюю структуру протонов, учёные обратились к столкновениям частиц высоких энергий, которые происходят на таких установках, как Большой адронный коллайдер (БАК). Когда частицы сталкиваются на чрезвычайно высоких скоростях, они образуют новые частицы, разлетающиеся в стороны.
Команда исследователей использовала разработанную в 2017 году методику, применяющую квантовую информатику к электрон-протонным столкновениям, чтобы определить, как запутанность влияет на траектории частиц, разлетающихся в стороны. Если кварки и глюоны спутаны в протонах, то, согласно этой методике, об этом должен свидетельствовать беспорядок, или «энтропия», наблюдаемый в струях дочерних частиц.
«Для максимально запутанного состояния кварков и глюонов существует простое соотношение, которое позволяет нам предсказать энтропию частиц, образующихся при высокоэнергетическом столкновении», — говорит теоретик Брукхейвенской лаборатории Дмитрий Харзеев. «Мы проверили это соотношение с помощью экспериментальных данных».
Чтобы выяснить, насколько «грязными» становятся частицы после столкновения, команда сначала обратилась к данным, полученным в ходе протон-протонных столкновений на БАКе. Затем, в поисках более «чистых» данных, исследователи обратились к электрон-протонным столкновениям, проведённым на коллайдере Hadron-Electron Ring Accelerator (HERA) с 1992 по 2007 год.
Эти данные были предоставлены командой H1 и её представителем, а также исследователем Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) Стефаном Шмиттом после трехлетнего поиска по результатам HERA.
Сравнив данные HERA с расчётами энтропии, команда получила результаты, которые полностью совпали с их предсказаниями, предоставив убедительное доказательство того, что кварки и глюоны внутри протонов максимально запутаны.
«Запутанность возникает не только между двумя частицами, но и между всеми частицами», — говорит Харзеев. «Максимальная запутанность внутри протона возникает как следствие сильных взаимодействий, которые порождают большое количество кварк-антикварковых пар и глюонов».
Обнаружение максимальной запутанности кварков и глюонов внутри протонов может помочь раскрыть, что удерживает эти строительные блоки атомного ядра.
Раскрытие деталей запутанности между кварками и глюонами может помочь учёным исследовать более глубокие проблемы ядерной физики, например, как принадлежность к большим атомным ядрам влияет на структуру протонов. Например, можно ли, поместив протон в очень напряжённую ядерную среду, и окружив его множеством взаимодействующих протонов и нейтронов, разрушить запутанность отдельных протонов (этот процесс называется «квантовой декогеренцией»)?
«Чтобы ответить на этот вопрос, нам нужно сталкивать электроны не только с отдельными протонами, но и с ядрами», — говорит Ту. «Будет очень полезно использовать те же инструменты, чтобы увидеть запутанность в протоне, встроенном в ядро, — чтобы узнать, как на неё влияет ядерное окружение».
Это будет одним из ключевых исследований, проводимых на предстоящем электронно-ионном коллайдере (EIC) Брукхейвенской лаборатории. Таким образом, эти результаты могут стать важной частью плана развития EIC, который должен начать работу в 2030 году.
«Изучение запутанности в ядерной среде, безусловно, позволит нам больше узнать об этом квантовом поведении — как оно остаётся когерентным или становится декогерентным — и лучше понять, как оно связано с традиционными явлениями ядерной физики и физики частиц, которые мы пытаемся решить», — заключил Ту.
