Исследователи из Мексики, США, России и Китая совершили прорыв в изучении внутренней структуры протонов — частиц, которые составляют ядра атомов.
Квантовая запутанность
Они впервые доказали, что кварки и глюоны, из которых состоят протоны, обладают свойством квантовой запутанности — загадочным явлением, которое когда-то поставило в тупик самого Альберта Эйнштейна.
Квантовая запутанность подразумевает, что две связанные частицы способны мгновенно влиять на состояние друг друга, независимо от расстояния между ними — даже если они находятся на противоположных концах Вселенной. Этот феномен казался невозможным с точки зрения теории относительности, согласно которой ничто не может двигаться быстрее света.
Эйнштейн был настолько озадачен квантовой запутанностью, что назвал её "жутким дальнодействием" (spukhafte Fernwirkung). Однако, несмотря на его скептицизм, эта концепция неоднократно подтверждалась экспериментально. Большинство предыдущих исследований были направлены на изучение запутанности на всё больших расстояниях. Новый эксперимент пошёл в обратном направлении — учёные обнаружили запутанность на расстоянии всего лишь в одну квадриллионную долю метра, внутри отдельных протонов.
"До нашей работы никто не искал квантовую запутанность внутри протона в экспериментальных данных столкновений высоких энергий", — рассказывает физик Лаборатории Брукхейвена Жоудунмин Ту.
"Десятилетиями мы придерживались традиционного взгляда на протон как на набор кварков и глюонов, сосредоточиваясь на изучении свойств отдельных частиц и их распределения внутри протона. Теперь, когда мы получили доказательства запутанности кварков и глюонов, картина изменилась. Мы имеем дело с гораздо более сложной, динамичной системой".
Теперь учёные должны выяснить, что происходит с квантовой запутанностью, когда протон оказывается в более сложном окружении. Например, может ли плотная ядерная среда, в которой частица окружена множеством других взаимодействующих протонов и нейтронов, нарушить её свойства? Процесс, известный как "квантовая декогеренция", станет одним из главных направлений будущих исследований.
В целом, исследование, которое длилось шесть лет, значительно расширило понимание того, как квантовая запутанность влияет на структуру протонов. Чтобы изучить их внутреннее строение, учёные анализировали данные процессов, происходивших в Большом адронном коллайдере. При столкновении частиц на огромных скоростях другие частицы разлетаются в разные стороны, подобно осколкам при автомобильной аварии.
Команда использовала методику, разработанную в 2017 году.
В ней к столкновениям электронов и протонов применяются принципы квантовой информатики. Таким образом, можно определить, что и как влияет на траектории разлетающихся фрагментов. Если кварки и глюоны действительно находятся в состоянии квантовой запутанности внутри протонов, это должно отражаться на хаотичности или "энтропии" потоков дочерних частиц.
"Представьте детскую комнату, где одежда и вещи разбросаны повсюду", — поясняет Ту. "В неорганизованном пространстве энтропия очень высока". А низкая энтропия, напротив, похожа на аккуратно убранную комнату, где всё находится на своих местах. Беспорядок в данном случае и указывает на наличие запутанности.
Учёные смогли проверить свои теоретические предсказания сразу на двух наборах экспериментальных данных. В дополнение к экспериментам на БАК они использовали результаты более "чистых" электрон-протонных столкновений с ускорителя HERA.
Данные HERA предоставила команда H1 и её представитель Стефан Шмитт из исследовательского центра DESY после трёхлетних поисков в архивах. Сравнение этих сведений с расчетами энтропии идеально совпало с предсказаниями учёных. Вот оно — убедительное доказательство максимальной запутанности кварков и глюонов внутри протонов.
"Запутанность возникает не только между двумя частицами, но и между всеми частицами", — поясняет Дмитрий Харзеев. "Максимальная запутанность внутри протона возникает как следствие сильных взаимодействий, порождающих большое количество пар кварк-антикварк и глюонов".
Проект имеет особое значение для будущего физики элементарных частиц. Один из ключевых вопросов, который предстоит решить: сохраняется ли это состояние, когда протон становится частью более крупного атомного ядра, или сложное окружение разрушает его? Ответ может полностью перевернуть наше понимание строения материи.
1 февраля 2025, 21:54 | Просмотры: 41
Добавить новый комментарий
1 comment
