Złożone interakcje tworzących wnętrze protonu kwarków, gluonów i „kipiącego” morza cząstek wirtualnych opisali naukowcy z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN. Użyli do tego narzędzi kwantowej teorii informacji i zjawiska kwantowego splątania.
Trudno sobie wyobrazić świat bardziej dynamiczny i zarazem bardziej niedostępny od wnętrza protonu. W ostatnich latach złożone interakcje tworzących go kwarków, gluonów i ustawicznie „kipiącego” morza cząstek wirtualnych próbowano opisywać za pomocą pojęć i narzędzi teoretycznych związanych z kwantową informacją, co zaowocowało częściowymi sukcesami. Odkryto na przykład, że kwantowe splątanie w protonie jest maksymalne, a jego głównymi źródłami są nieustannie się „gotujące” morza wirtualnych gluonów i kwarków.
Najnowsze osiągnięcie autorstwa teoretyków z Brookhaven National Laboratory (BNL) i Stony Brook University (SBU) w Nowym Jorku, meksykańskiego Universidad de las Americas Puebla (UDLAP) oraz Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk w Krakowie pokazuje, że zachodzące we wnętrzu protonu interakcje można spójnie opisać dzięki umiejętnemu użyciu narzędzi kwantowej teorii informacji i zjawisku kwantowego splątania. Nowy, bardziej od dotychczasowego uniwersalny formalizm pozwolił po raz pierwszy wytłumaczyć dane ze wszystkich dostępnych pomiarów związanych z rozpraszaniem się cząstek wtórnych produkowanych w trakcie głęboko nieelastycznych zderzeń elektronów z protonami.
Jeśli chcemy poznać zjawiska zachodzące wewnątrz protonu, najpierw musimy jakoś się tam dostać. Obecnie najlepszym sposobem są zderzania protonów z elektronami, ponieważ te ostatnie nie tylko mają rozmiary znacznie mniejsze od protonów, ale przede wszystkim są cząstkami elementarnymi, mamy więc gwarancję, że same na nic się nie rozpadną – wprowadza w tematykę prof. Krzysztof Kutak z IFJ PAN, jeden ze współautorów badania.
Proton nie jest cząstką elementarną. W najprostszym ujęciu przyjmuje się, że składa się on z trzech kwarków walencyjnych (dwóch górnych i jednego dolnego) „sklejanych” za pomocą gluonów, czyli cząstek przenoszących oddziaływania silne. Oddziaływania te są tak potężne, że we wnętrzu protonu ustawicznie pojawiają się i znikają pary wirtualnych kwarków i antykwarków (nawet tak masywnych jak powabne) oraz pary wirtualnych gluonów (co jest możliwe, ponieważ cząstki te są dla siebie antycząstkami).
W opisywanych badaniach kluczowe było założenie, że mimo ekstremalnie małych rozmiarów protonu tworzące go kwarki i gluony – wspólnie nazywane partonami – są kwantowo splątane. O splątaniu między obiektami kwantowymi mówimy wtedy, gdy wartości jakiejś cechy jednego obiektu reagują na jej zmiany w innym mimo faktu, że informacja o zmianie nie miała czasu, by zostać między nimi przesłana za pomocą jakiegokolwiek nośnika transportowanego przez przestrzeń.
W przypadku wnętrza protonu splątanie występuje na trudnych do wyobrażenia odległościach rzędu jednej biliardowej metra i mniejszych i jest cechą kolektywną. Jak wykazaliśmy w swoich wcześniejszych
publikacjach, dotyczy ono nie kilku, lecz wszystkich partonów w protonie – informuje prof. Martin Hentschinski (UDLAP).
Gdy próbując poznać maksymalnie splątane wnętrze protonu uderzamy w niego elektronem, między obiema cząstkami dochodzi do oddziaływania elektromagnetycznego, którego nośnikiem jest foton. W zderzeniach głęboko nieelastycznych energia wymienianego fotonu jest tak duża, że związana z nim fala elektromagnetyczna zaczyna się „mieścić” w protonie i „dostrzegać” detale jego wewnętrznej struktury. Wskutek interakcji z fotonem proton może się następnie rozpaść produkując liczne cząstki wtórne. Splątanie przejawi się tu w fakcie, że liczba cząstek pochodnych wyprodukowanych w trakcie zderzenia jest wielkością zdeterminowaną jedynie przez próbkowany obszar protonu.
Tak dochodzimy do pojęcia entropii, szczególnie istotnego w badaniach układów o dużej złożoności oraz w informacji kwantowej. Gdybyśmy dzięki zderzeniom głęboko nieelastycznym mieli dostęp do pełnej informacji o splątaniu w protonie, moglibyśmy mówić o entropii splątania równej zero. Jednak foton penetrujący wnętrze protonu 'widzi’ tylko część wnętrza protonu, pozostała część pozostaje dla niego ukryta – a to oznacza, że entropia splątania jest niezerowa. Mamy zatem do dyspozycji wygodną miarę ilości splątania w protonie – tłumaczy prof. Dmitri Kharzeev (SBU, BNL).
Międzynarodowy zespół fizyków dowiódł, że na podstawie entropii splątania można przewidzieć entropię cząstek wtórnych wyprodukowanych w zderzeniu elektronu z protonem. W rezultacie przy maksymalnym splątaniu kwarków i gluonów w protonie należy się spodziewać dużej entropii cząstek pochodnych, przejawiającej się m.in. w
niemożliwości określenia, ile cząstek zostanie wyprodukowanych w konkretnym zderzeniu. Przewidywania te obecnie zweryfikowano dla wszystkich wariantów pomiarów przeprowadzonych w latach 2006–2007 w ramach eksperymentu H1 przy akceleratorze HERA w ośrodku DESY w Hamburgu, gdzie pojedyncze protony zderzały się z pozytonami, czyli antycząstkami elektronów.
Splątaniem wewnątrz protonu zajmujemy się już od kilku lat. O ile nasze wcześniejsze prace teoretyczne weryfikowaliśmy poprzez konfrontację z pomiarami z konkretnych sesji pomiarowych, o tyle teraz w ramach jednego, uniwersalnego formalizmu zdołaliśmy opisać wszystkie dotychczasowe dane doświadczalne, które można wiązać z entropią splątania w protonie – podkreśla dr Zhoudunming Tu (BNL).
Zespół fizyków zaangażowanych w projekt przewiduje, że właśnie uogólniony formalizm umożliwi łatwiejszą i dokładniejszą interpretację pomiarów z przyszłych zderzaczy, takich jak Electron-Ion Collider (EIC), który na początku przyszłej dekady zostanie uruchomiony w laboratorium w Brookhaven. Elektrony będą się tu zderzały nie z pojedynczymi protonami, lecz z jonami, czyli kompleksami protonów i neutronów. W połączeniu z nowymi danymi eksperymentalnymi, zaproponowane podejście teoretyczne powinno wówczas pomóc w rozwikłaniu istotnych problemów współczesnej fizyki jądrowej.
Dziś dysponujemy silną przesłanką, że nasz nowy formalizm uwzględniający entropię splątania nie jest przypadkowo skorelowany z jakimś konkretnym sposobem pomiaru zjawisk jądrowych, lecz ma rzeczywistą zdolność tłumaczenia natury obserwowanych zdarzeń. Jesteśmy przekonani, że dzięki badaniom entropii splątania będziemy w stanie lepiej zrozumieć, jak oddziaływania silne wiążą kwarki i gluony w protonach czy odpowiedzieć na pytanie, jak przynależność do większego jądra atomowego wpływa na właściwości pojedynczego protonu – podsumowuje prof. Krzysztof Kutak.
Wyniki badań polsko-amerykańsko-meksykańskiego zespołu ukazały się na łamach Reports on Progress in
Physics.
MK, źródło: IFJ PAN