Ученые нашли квантовую запутанность в протонах
Квантовая запутанность, которую Альберт Эйнштейн описал как «жуткое действие на расстоянии», представляет собой явление, при котором частицы остаются связанными независимо от их взаимного расстояния. В случае протонов запутанность происходит на невероятно малых расстояниях — менее одной квадриллионной метра, охватывая всю группу кварков и глюонов внутри протона.
В своей статье группа специалистов из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США описала, как квантовая запутанность влияет на распределение частиц, образующихся после столкновений электронов и протонов. Эта работа стала кульминацией шестилетнего научного проекта, который открыл новое измерение в понимании структуры протонов.
Традиционно протон представлялся ученым как совокупность отдельных кварков и глюонов с фиксированными свойствами, такими как их распределение внутри частицы. Однако новые данные показывают, что запутанность добавляет дополнительный уровень сложности в описание этой структуры. Исследователи определили, что эта запутанность значительно влияет на характер частиц, образующихся после столкновений.
Для анализа использовались данные с коллайдера HERA в Германии, действовавшего с 1992 по 2007 годы, а также эксперименты на Большом адронном коллайдере. На основе математических моделей, разработанных ранее, эксперты смогли предсказать, что запутанность внутри протонов должна проявляться в высоком уровне энтропии — степени «хаотичности» распределения частиц.
Данные экспериментов подтвердили эти расчеты. Частицы, образовавшиеся в результате столкновений, действительно демонстрировали «беспорядочное» распределение, что указывает на максимальную запутанность кварков и глюонов внутри протонов.
Результаты исследования не только уточняют представления о внутренней структуре протонов, но и открывают новые горизонты в других областях науки, где квантовая запутанность играет роль. Например, они могут помочь понять, как свойства протонов изменяются, когда они входят в состав атомных ядер. Этот вопрос станет одним из главных направлений будущих экспериментов на Электрон-ионном коллайдере, который начнет работу в 2030-х годах.
Квантовая запутанность также дает новое представление о том, как взаимодействия кварков и глюонов удерживают их внутри протонов. Как оказалось, это напрямую связано с запутанностью всей системы.
Развитие квантовой информационной науки позволяет исследовать такие сложные явления, как поведение частиц в столкновениях, без необходимости детально описывать каждый этап взаимодействий. Это упрощение может стать ключом к решению многих вопросов ядерной и частичной физики.
Например, ученые планируют использовать свой подход для изучения того, как запутанность протонов изменяется в ядерной среде, где они взаимодействуют с другими протонами и нейтронами. Это может пролить свет на процессы декогерентности — утраты квантовой запутанности — и ее влияние на свойства вещества.
Изучение квантовой запутанности также важно для понимания статистического поведения сложных систем. Подобно тому как температура кипящей воды определяется коллективным движением молекул, поведение протонов и кварков зависит от их коллективных свойств, а не от действий отдельных частиц.
Тем временем ученые придумали, как сделать квантовую физику понятной для школьников.
