Физики впервые описали таинственный мир внутри протона
Внутренности протона — одна из самых динамичных и в то же время неуловимых областей физики. Внутри этой крошечной частицы кварки и глюоны взаимодействуют в постоянно меняющемся море виртуальных частиц. Теперь, используя квантовую теорию информации и концепцию квантовой запутанности, ученые разработали новую схему, позволяющую описать эти взаимодействия.
Впервые этот подход успешно объясняет данные всех имеющихся экспериментов, связанных с рассеянием частиц, возникающих при глубоких неупругих столкновениях электронов и протонов. Работа принадлежит международной команде теоретиков из Брукхейвенской национальной лаборатории (BNL) и Университета Стони Брук (SBU) в Нью-Йорке, Университета Пуэбла (UDLAP) в Мексике и Института ядерной физики Польской академии наук (IFJ PAN) в Кракове. Работа опубликована в журнале Reports on Progress in Physics.
«Если мы хотим узнать о явлениях, происходящих внутри протона, то сначала нам нужно как-то туда попасть. В настоящее время столкновения между протонами и электронами — лучший способ сделать это, потому что последние не только гораздо меньше по размеру, чем протоны, но, прежде всего, они являются элементарными частицами, поэтому у нас есть гарантия, что они сами не распадутся ни на что другое», — говорит соавтор работы профессор Кшиштоф Кутак.
В море кварков и глюонов
В новом исследовании ключевым предположением было то, что, несмотря на чрезвычайно малый размер протона, составляющие его кварки и глюоны, называемые в совокупности партонами, являются квантово запутанными. Мы говорим о запутанности между квантовыми объектами, когда значения характеристик одного объекта реагируют на их изменения в другом объекте, несмотря на то, что информация об изменении не успевает передаваться между ними каким-либо носителем, перемещающимся через пространство.
«В случае с внутренностями протона запутанность возникает на трудновообразимых расстояниях в одну квадриллионную долю метра или меньше и является коллективной характеристикой. Как мы показали в наших предыдущих публикациях, она затрагивает не несколько, а все партоны в протоне», — говорит соавтор работы профессор Мартин Хентшински.
Роль высокоэнергетических столкновений
Когда, пытаясь исследовать максимально запутанную внутренность протона, электрон ударяет по нему, между двумя частицами возникает электромагнитное взаимодействие, носителем которого является фотон. При глубоко неупругих столкновениях энергия этого фотона настолько велика, что связанная с ним электромагнитная волна «помещается» внутри протона и позволяет «видеть» детали его внутренней структуры.
В результате взаимодействия с фотоном протон может распасться, образовав множество вторичных частиц. Запутанность проявится в том, что количество вторичных частиц, испущенных из части протона «замеченной» фотоном, определит количество частиц, которые будут произведены в виде наблюдаемых адронов.
«Так мы приходим к понятию энтропии, которое особенно важно при изучении очень сложных систем и квантовой информации. Если бы благодаря глубоко неупругим столкновениям мы имели доступ к полной информации о запутанности в протоне, мы могли бы говорить об энтропии запутанности, равной нулю. Однако фотон, проникающий внутрь протона, "видит" только часть его внутренностей, остальное остается для него скрытым — и это означает, что энтропия запутывания ненулевая. Таким образом, у нас есть удобная мера количества запутанности в протоне», — объясняет соавтор работы профессор Дмитрий Харзеев.
Экспериментальное подтверждение и анализ данных
В новой работе физики доказала, что на основе энтропии запутывания можно предсказать энтропию адронов, образующихся при электронно-протонном столкновении. В результате максимальная запутанность кварков и глюонов в протоне проявляется в невозможности определить, сколько частиц будет получено в конкретном столкновении. Теперь эти предсказания подтвердились для всех вариантов измерений, проведенных в 2006-2007 годах в эксперименте H1 на ускорителе частиц HERA в центре DESY в Гамбурге, где одиночные протоны сталкивались с позитронами, античастицами электронов.
«Сегодня у нас есть убедительные свидетельства того, что наш новый формализм, учитывающий энтропию запутывания, не случайно коррелирует с каким-то конкретным способом измерения ядерных явлений, а обладает реальной способностью объяснить природу наблюдаемых событий. Мы убеждены, что, изучая энтропию запутывания, мы сможем лучше понять, как сильные взаимодействия связывают кварки и глюоны в протонах, или ответить на вопрос, как принадлежность к более крупному атомному ядру влияет на свойства отдельного протона», — заключает профессор Кутак.