«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 гор��здо 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 частица��и, — 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.
