Вчені відображають квантове заплутування в протонах

Вчені з Національної лабораторії та співробітників Брукхейвена Міністерства енергетики (DOE) Брукхейвен мають новий спосіб використання даних з високоенергетичних частинок Smashups до однолітків всередині протонів. Їх підхід використовує квантову інформаційну науку для того, щоб скласти те, як частинки відстежують, що випливають із зіткнень електронів-протону, впливають на квантове заплутування всередині протона.

Результати показують, що Quarks та Gluons, основні будівельні блоки, що складають структуру протона, підлягають так званому квантовому заплутанню. Це вигадливе явище, славно описане Альбертом Ейнштейном як “моторошні дії на відстані”, стверджує, що частинки можуть знати стан один одного – наприклад, їхній напрямок віджиму – навіть коли вони розділені на великій відстані.

У цьому випадку заплутування відбувається на неймовірно коротких відстанях – менше, ніж одна чотирильйонна частина метра всередині окремих протонів – і обмін інформацією поширюється на всю групу кварків та глюонів у цьому протоні.

Останній документ команди, щойно опублікований у Звіти про прогрес у фізиціузагальнює шестирічні дослідницькі зусилля групи. Це точно відображає те, як заплутування впливає на розподіл стабільних частинок, що виникають під різними кутами з розгрому частинок після того, як кварки та глюни, вивільнені в зіткнень, зміщуються, утворюючи ці нові складові частинки.

Цей новий погляд на заплутування між кварками та глюонами додає шару складності до розвиваючої картини внутрішньої структури протонів. Це також може запропонувати зрозуміти інші сфери науки, де заплутано відіграє певну роль.

“Перед тим, як ми виконали цю роботу, ніхто не дивився на заплутування всередині протона в експериментальних даних про зіткнення з високою енергією”,-сказав фізик Чоудунмінг (Конг) Ту, співавтор паперу та співробітника цього дослідження з моменту приєднання до лабораторії Брукхейвена в 2018 році.

“Десятиліттями ми мали традиційний погляд на протон як колекцію кварків та глюонів, і ми були зосереджені на розумінні так званих властивостей одночастинок, включаючи те, як Quarks та Gluons розподіляються всередині протона.

“Тепер, маючи докази того, що кварки та глюни заплутуються, ця картина змінилася. У нас набагато складніша, динамічна система”, – сказав він. “Цей останній документ уточнює наше розуміння того, як заплутування впливає на структуру протонів”.

Картографування заплутань між кварками та глюонами всередині протонів може запропонувати зрозуміти інші складні питання в ядерній фізиці, включаючи те, як бути частиною більшого ядра, впливає на властивості протонів.

Це буде одним із уваги майбутніх експериментів на електронно-іонному колайдері (EIC), дослідницькому закладу з ядерної фізики, який, як очікується, відкриється в лабораторії Брукхейвена в 2030-х роках. Інструменти, які розробляють ці вчені, дадуть змогу прогнозувати експерименти EIC.

Розшифровка безладдя як ознака заплутування

Для цього дослідження вчені використовували мову та рівняння квантової інформатики, щоб передбачити, як заплутання повинно впливати на частинки, що потоковують з зіткнень електронного протону. Такі зіткнення є поширеним підходом для зондування структури протона, останнім часом на Collider Adron-Electron Ring Cling (HERA) у Гамбурзі, Німеччина, з 1992 по 2007 рік, і плануються для майбутніх експериментів з ЕКС.

Такий підхід, опублікований у 2017 році, був розроблений Дмитра Харзеєв, теоретик, пов’язаний з Лабораторією Брукхейвена, так і університету Стоні Брука, який є співавтором у статті, і Євген Левін з університету Тель-Авіва. Рівняння прогнозують, що якщо Quarks і Gluons заплутані, це може бути виявлено з ентропії зіткнення або розладу.

“Подумайте про безладну спальню дитини, з пральною та іншими речами всюди.

Згідно з розрахунками, протони з максимально заплутаними кварками та глюонами – високий ступінь “ентропії заплутування” – має створити багато частинок із “безладним” розподілом – високий ступінь ентропії.

“Для максимально заплутаного стану кварків та глюонів існує просте відношення, яке дозволяє нам передбачити ентропію частинок, що утворюються у зіткненні з високою енергією”, – сказав Харзеєв. “У нашій роботі ми перевірили це співвідношення за допомогою експериментальних даних.”

Вчені розпочали з аналізу даних з зіткнення протон-протон у великому адронному колайдері Європи, але вони також хотіли переглянути дані “чисті”, що виробляються зіткненням електронного протону. Знаючи, що це буде деякий час до того, як EIC увімкнеться, Ту приєднався до однієї з експериментальних співпраців HERA, відомої як H1, яка все ще має екіпаж фізичних пенсій, що зустрічаються з часом, щоб обговорити свій експеримент.

Ту працював з фізиком Стефаном Шміттом, нинішнім кооперативом для H1 від Deutsches Elektronen-Synchrotron (Desy), протягом трьох років, щоб видобувати старі дані. Пара каталогізувала детальну інформацію з даних, записаних у 2006–2007 роках, включаючи те, як змінювалося виробництво та розподіл частинок, та широкий спектр іншої інформації про зіткнення, що виробляли ці розподіли. Вони опублікували всі дані для інших, які можна використовувати.

Коли фізики порівнювали дані HERA з обчисленнями ентропії, результати ідеально відповідали прогнозам. Ці аналізи, включаючи останні результати ROPP щодо того, як розподіл частинок змінюється під різними кутами з точки зіткнення, дають вагомі докази того, що кварки та глюни всередині протонів максимально заплутані.

Результати та методи допомагають закласти основу для майбутніх експериментів на EIC.

Статистична поведінка та нові властивості

Об’явлення заплутань серед кварків та глюонів проливає світло на природу їх сильної сили взаємодії, зазначив Харзєєв. Він може запропонувати додаткове розуміння того, що зберігає кварки та глюни обмежені в протонах, що є одним із центральних питань ядерної фізики, які будуть вивчені в ЕКІ.

“Максимальне заплутування всередині протона виникає як наслідок сильних взаємодій, що створюють велику кількість пар Quark -Artiquark і глюонів”, – сказав він.

Сильні взаємодійні взаємодії-обмін одним або декількома глюонами серед кварків-займає місце між окремими частинками. Це може здатися так само, як найпростіший опис заплутування, де дві окремі частинки можуть знати про один одного, незалежно від того, наскільки вони далеко. Але заплутування, яке дійсно є обміном інформацією, є взаємодією на всій системі.

“Заплушення відбувається не лише між двома частинками, а серед усіх частинок”, – сказав Харзєєв.

Тепер, коли вчені мають спосіб вивчення цього колективного заплутування, інструменти квантової інформатики можуть полегшити проблеми з ядерною та фізикою частинок.

“Зіткнення частинок можуть бути надзвичайно складними з багатьма кроками, які впливають на результат”, – сказав Ту. “Але це дослідження показує, що деякі результати, як, наприклад, ентропія частинок, що виникають, визначаються заплутуванням всередині протонів, перш ніж вони зіткнуться.

“Ентропія не” дбає “про складність усіх кроків між ними. Тож, можливо, ми можемо використовувати такий підхід для вивчення інших складних явищ ядерної фізики, не турбуючись про деталі того, що відбувається на цьому шляху”.

Думаючи про колективну поведінку цілої системи, а не окремі частинки, є поширеним в інших сферах фізики і навіть повсякденного життя. Наприклад, коли ви думаєте про горщик з окропом, ви насправді не знаєте про вібраційний рух кожної окремої молекули води. Жодна молекула води не може спалити вас.

Це статистичне середнє значення всіх молекул, що вібрують – їх колективну комбіновану поведінку – це породжує властивість температури і робить воду гарячою. Аналогічним чином, розуміння того, як поводяться один кварк і глюон, не одразу передає, як поводиться протон у цілому.

“Перспектива фізики змінюється, коли у вас так багато частинок разом”, – сказав Ту, зазначивши, що квантова інформаційна наука – це інструмент для опису статистичної чи виникаючої поведінки всієї системи. “Цей підхід може запропонувати зрозуміти, як заплутування частинок призводить до групової поведінки”, – сказав Ту.

Використання моделі для використання

Тепер, коли вчені підтвердили та підтвердили свою модель, вони хочуть використовувати її по -новому. Наприклад, вони хочуть дізнатися, як перебування в ядрі впливає на протон.

“Щоб відповісти на це запитання, нам потрібно зіткнутися з електронами не лише з окремими протонами, а з ядрами – іонами ЕК”, – сказав Ту. “Буде дуже корисно використовувати ті самі інструменти, щоб побачити заплутування в протоні, вбудованому в ядро ​​- дізнатися, як на нього впливає ядерне середовище”.

Чи поставить протон у дуже зайнятий ядерне середовище, оточене безліччю інших взаємодіючих протонів та нейтронів, вимиває заплутування окремого протона? Чи може це ядерне середовище відігравати певну роль у так званій квантовій декогерентності?

“Дивлячись на заплутування в ядерному середовищі, безумовно, розповість нам більше про цю квантову поведінку – як вона залишається цілісною або стає декогерентною – і дізнатися більше про те, як він з’єднується з традиційними явищами ядерної та фізики частинок, які ми намагаємось вирішити”, – сказав Ту.

“Вплив ядерного середовища на протони та нейтрони знаходиться в центрі науки про EIC”,-сказав Мартін Хентчинський, співавтор на статті з Університету де Лас-Амеріас Пуебла (UDLAP) у Мексиці.

Співавтор Криштоф Кутак з Польської академії наук додав: “Є багато інших явищ, які ми хочемо використовувати цей інструмент для вивчення, щоб підштовхнути наше розуміння структури видимої речовини до нового кордону”.