Айнщайн би се изненадал: Физици преосмислиха структурата на протоните

Група учени са постигнали голям напредък в изучаването на вътрешната структура на протоните – частици, които се намират в ядрата на всички атоми. За първи път те успяха да докажат, че кварките и глюоните, които изграждат протоните са обект на квантово заплитане – мистериозно явление, което някога е обърквало самия Алберт Айнщайн.

Квантовото заплитане означава, че две свързани частици могат незабавно да повлияят на състоянието си, независимо от разстоянието между тях – дори ако се намират в противоположни краища на Вселената. Феноменът изглеждаше невъзможен от гледна точка на теорията на относителността, според която нищо не може да се движи по-бързо от светлината.

Айнщайн бил толкова озадачен от квантовото заплитане, че го нарекъл „призрачно заплитане на големи разстояния“ (spukhafte Fernwirkung). Въпреки скептицизма му обаче концепцията е многократно потвърдена експериментално. По-голямата част от предишните изследвания са били насочени към изучаване на заплитането на все по-големи разстояния.

Новият експеримент е в обратна посока – учените откриват заплитане на разстояние от само една квадрилионна част от метъра, вътре в отделните протони.

„Преди нашата работа никой не беше търсил квантово заплитане вътре в протона в експериментални данни от високоенергийни сблъсъци. В продължение на десетилетия ние се придържахме към традиционната представа за протона като съвкупност от кварки и глуони, като се фокусирахме върху изучаването на свойствата на отделните частици и тяхното разпределение вътре в протона. Сега, когато имаме доказателства за преплитането на кварките и глюоните, картината се промени. Имаме работа с много по-сложна и динамична система.“

казва физикът от лабораторията в Брукхейвън Жудонмин Ту

Сега учените трябва да разберат какво се случва с квантовото заплитане, когато протонът се намира в по-сложна среда. Например, може ли плътната ядрена среда, в която частицата е заобиколена от много други взаимодействащи протони и неутрони да наруши нейните свойства? Процесът, известен като „квантова декохерентност“ ще бъде основен фокус на бъдещите изследвания.

Като цяло изследването, продължило 6 години значително разшири разбирането за това как квантовото заплитане влияе върху структурата на протоните. За да изследват вътрешната им структура, учените анализираха данни от процеси, протекли в Големия адронен колайдер (LHC). Когато частици се сблъскват с огромна скорост, други частици се разпръскват в различни посоки, подобно на отломки при автомобилна катастрофа.

Екипът използва техника, разработена през 2017 година. Тя прилага принципите на квантовата информатика към сблъсъците на електрони и протони. По този начин е възможно да се определи какво и как влияе върху траекториите на летящите фрагменти. Ако кварките и глюоните наистина са в състояние на квантово заплитане вътре в протоните, това би трябвало да се отрази в случайността или „ентропията“ на потоците от дъщерни частици.

„Представете си детска стая с разпръснати навсякъде играчки. В едно неорганизирано пространство ентропията е много висока. Ниската ентропия, от друга страна е като при грижливо подредена стая, в която всичко е на мястото си. Безпорядъкът в този случай показва наличието на заплитане.“

обяснява Ту

Учените са успели да проверят теоретичните си предсказания едновременно върху два набора от експериментални данни. Освен експериментите в LHC те използвали и резултатите от по-„чисти“ електронно-протонни сблъсъци от ускорителя HERA.

„Заплитането възниква не само между две частици, но и между всички частици. Максималното заплитане вътре в протона възниква като следствие от силните взаимодействия, които пораждат голям брой двойки кварк-антикварк и глуони.“

обяснява Дмитрий Харзеев, теоретик от лабораторията в Брукхейвън

Проектът е от особено значение за бъдещето на физиката на елементарните частици. Един от ключовите въпроси, на които трябва да се отговори, е: Запазва ли се това състояние, когато протонът стане част от по-голямо атомно ядро, или сложната среда го разрушава? Отговорът би могъл да преобърне изцяло разбирането ни за структурата на материята.