Ученые обнаружили «жуткую» квантовую запутанность в невероятно малых масштабах — внутри отдельных протонов:инновации-технологии-наука:
Ученые использовали столкновения частиц высокой энергии, чтобы заглянуть внутрь протонов, частиц, которые находятся внутри ядер всех атомов. Это впервые показало, что кварки и глюоны, строительные блоки протонов, испытывают явление квантовой запутанности.
Запутанность — это аспект квантовой физики, который утверждает, что две затронутые частицы могут мгновенно влиять на «состояние» друг друга, независимо от того, насколько далеко они разделены — даже если они находятся на противоположных концах вселенной. Альберт Эйнштейн основал свои теории относительности на представлении о том, что ничто не может двигаться быстрее скорости света, однако это должно исключать мгновенную природу запутанности.
В результате Эйнштейн был настолько обеспокоен запутанностью, что он назвал ее «spukhafte Fernwirkung» или «жутким действием на расстоянии». Тем не менее, несмотря на скептицизм Эйнштейна относительно запутанности, это «жуткое» явление проверялось снова и снова. Многие из этих проверок касались проверки увеличения расстояний, на которых можно продемонстрировать запутанность. Этот новый тест использовал противоположный подход, исследуя запутанность на расстоянии всего в одну квадриллионную метра, и обнаружил, что она действительно происходит внутри отдельных протонов.
Группа ученых обнаружила, что обмен информацией, определяющий запутанность, происходит между целыми группами фундаментальных частиц, называемых кварками и глюонами, внутри протона.
«До того, как мы выполнили эту работу, никто не рассматривал запутанность внутри протона в экспериментальных данных по столкновениям при высоких энергиях», — сказал в своем заявлении член группы и физик из Брукхейвенской лаборатории Чжоудуньмин Ту . «В течение десятилетий у нас был традиционный взгляд на протон как на совокупность кварков и глюонов, и мы были сосредоточены на понимании так называемых одночастичных свойств, включая то, как кварки и глюоны распределены внутри протона.
«Теперь, с доказательствами того, что кварки и глюоны запутаны, эта картина изменилась. У нас есть гораздо более сложная, динамическая система».
Исследование группы, ставшее результатом шести лет работы, углубляло понимание учеными того, как запутанность влияет на структуру протонов.
Запутанность становится грязной
Чтобы исследовать внутреннюю структуру протонов, ученые изучали столкновения частиц высокой энергии, которые происходили на таких объектах, как Большой адронный коллайдер (БАК). Когда частицы сталкиваются на чрезвычайно высоких скоростях, другие частицы разлетаются от столкновения, как обломки, разлетающиеся при столкновении двух транспортных средств.
Эта команда использовала метод, разработанный в 2017 году, который применяет квантовую информатику к столкновениям электронов и протонов, чтобы определить, как запутанность влияет на пути частиц, вылетающих наружу. Если кварки и глюоны запутаны с протонами, этот метод говорит, что это должно быть обнаружено беспорядком, или « энтропией », наблюдаемой в спреях дочерних частиц.
«Представьте себе беспорядок в детской спальне, где повсюду разбросано белье и другие вещи», — сказал Ту. «В этой неорганизованной комнате энтропия очень высока».
Контрастом к этому является ситуация с низкой энтропией, которая похожа на аккуратно убранную и отсортированную спальню, в которой все организовано на своих местах. Беспорядок в комнате указывает на запутанность, если хотите.
«Для максимально запутанного состояния кварков и глюонов существует простое соотношение, которое позволяет нам предсказать энтропию частиц, образующихся при столкновении высокой энергии», — сказал в заявлении теоретик Брукхейвенской лаборатории Дмитрий Харзеев. «Мы проверили это соотношение с помощью экспериментальных данных».
Чтобы исследовать, насколько «грязными» становятся частицы после столкновения, команда сначала обратилась к данным, полученным в результате столкновений протонов с протонами, проведенных на LHC. Затем, в поисках «более чистых» данных, исследователи обратились к столкновениям электронов с протонами, проведенным на коллайдере частиц Hadron-Electron Ring Accelerator (HERA) с 1992 по 2007 год.
Эти данные были предоставлены командой H1 и ее представителем, а также исследователем Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) Стефаном Шмиттом после трехлетнего поиска результатов HERA.
Сравнивая данные HERA с расчетами энтропии, результаты команды идеально совпали с их предсказаниями, предоставив убедительные доказательства того, что кварки и глюоны внутри протонов максимально запутаны.
«Запутанность происходит не только между двумя частицами, но и между всеми частицами», — сказал Харзеев. «Максимальная запутанность внутри протона возникает в результате сильных взаимодействий, которые производят большое количество пар кварк-антикварк и глюонов».
Открытие максимальной запутанности кварков и глюонов внутри протонов может помочь раскрыть то, что удерживает эти фундаментальные частицы связанными вместе со строительными блоками атомных ядер.
Раскрытие деталей запутанности между кварками и глюонами может помочь ученым исследовать более глубокие проблемы ядерной физики, например, как пребывание в составе более крупных атомных ядер влияет на структуру протонов. Например, разрушает ли помещение протона в очень загруженную ядерную среду, окруженную множеством взаимодействующих протонов и нейтронов, запутанность, процесс, называемый «квантовой декогеренцией», с отдельными протонами?
«Чтобы ответить на этот вопрос, нам нужно сталкивать электроны не только с отдельными протонами, но и с ядрами», — сказал Ту. «Будет очень полезно использовать те же инструменты, чтобы увидеть запутанность в протоне, встроенном в ядро, — чтобы узнать, как на него влияет ядерная среда».
Это будет одно из ключевых исследований, проводимых в рамках будущего электронно-ионного коллайдера (EIC) Brookhaven Lab. Таким образом, эти результаты могут стать важной частью дорожной карты для EIC, который должен начать работу в 2030 году.
«Изучение запутанности в ядерной среде определенно расскажет нам больше об этом квантовом поведении — о том, как оно остается когерентным или становится декогерентным, — и узнает больше о том, как оно связано с традиционными явлениями ядерной физики и физики элементарных частиц, которые мы пытаемся решить», — заключил Ту.
Исследование группы было опубликовано в журнале Reports on Progress in Physics.
Прочитайте что такое взгляд в будущее
Читайте ещё статьи из Рубрики: инновации-технологии-наука