Нов поглед към материята: физици доказват максималната заплетеност при протоните

Изследване разкрива неочаквани свойства на елементарните частици.

Учени от Националната лаборатория „Брукхейвън“ към Министерството на енергетиката на САЩ разработиха нов метод за изучаване структурата на протоните с помощта на данни от сблъсъците на високоенергийни частици. В основата на техния подход е прилагането на квантовата информатика за анализ на ефекта на квантовото заплитане върху траекториите на частиците, получени в резултат на електронно-протонните сблъсъци.

Изследването показа, че кварките и глуоните, които изграждат структурата на протона, са свързани чрез квантово заплитане. Тази концепция, описана от Алберт Айнщайн като „призрачно действие на разстояние“, предполага, че частиците могат да „знаят“ състоянието си, дори когато са далеч една от друга. В случая с протоните заплитането обхваща всички кварки и глуони в рамките на една частица, въпреки изключително малките разстояния – по-малко от една квадрилионна част от метъра.

Шестгодишното изследване, публикувано в списание Reports on Progress in Physics, показва как заплитането влияе върху разпределението на стабилните частици, възникващи под различни ъгли при сблъсък. Тези открития задълбочават разбирането ни за вътрешната структура на протона, като добавят ново ниво на сложност към традиционните възгледи за него като за прост сбор от кварки и глуони.

Резултатите имат дълбоки последици. Те не само прецизират представата за структурата на протона, но и предоставят нов инструмент за изучаване на квантовата природа на частиците в ядрената физика. По-конкретно изследването помага да се разбере как се променят свойствата на протоните като част от ядрото. Това ще бъде ключова цел на бъдещите експерименти в Електронно-йонния колайдер (EIC), който е планирано да бъде открит в лабораторията Брукхейвън през 2030 г.

Използването на квантовата информация даде възможност на учените да предвидят как заплитането в протона влияе върху ентропията – мярката за безпорядъка в частиците, получени при сблъсъците. Максималното заплитане на кварките и глуоните съответства на висока ентропия, както се потвърждава от анализа на данните от колайдери като Големия адронен колайдер в Европа и Hadron-Electron Ring Accelerator в Германия.

Освен това новите методи за анализ ще помогнат за изследването на по-сложни явления, като например влиянието на ядрената среда върху квантовото заплитане на протоните. Въпросите, свързани с кохерентността и декохерентността на квантовите състояния, остават открити и изискват допълнителни изследвания. Бъдещите експерименти на EIC не само ще задълбочат познанията за структурата на видимата материя, но и ще изследват фундаменталните взаимодействия, които задържат кварките и глуоните вътре в протоните.

Новият модел също така помага да се разгледа поведението на протона като едно цяло, а не като съвкупност от отделни частици. Това е сравнимо с феномена на температурата на водата: свойствата на отделната молекула ни казват твърде малко за температурата като цяло, но статистическото поведение на цялата система оформя това свойство. По подобен начин колективното поведение на кварките и глуоните разкрива сложната картина на структурата на протоните.

Бъдещите изследвания ще се съсредоточат върху изучаването на това как протонът променя свойствата си в ядрената среда и как това се отнася към традиционните явления в ядрената физика и физиката на елементарните частици. Тази научна работа може да открие нови граници в разбирането на структурата на материята и фундаменталните закони на Вселената.