Физики раскрывают квантовую запутанность внутри протонов

Субатомные частицы протоны сами состоят из более мелких частиц, называемых кварками и глюонами. Теперь данные Большого адронного коллайдера намекают на то, что эти составляющие протонов не ведут себя независимо. Вместо этого они привязаны квантовыми связями, известными как запутанность, сообщают физики в статье, опубликованной на arXiv.org.

Квантовая запутанность ранее была исследована в масштабах, намного больших, чем протон. В экспериментах запутанные частицы, кажется, мгновенно влияют друг на друга, даже когда их разделяют расстояния, достигающие тысяч километров. Хотя ученые подозревали, что запутывание происходит внутри протона, признаки этого явления не были экспериментально продемонстрированы внутри частицы, размер которой составляет около триллионной доли миллиметра.

В новом исследовании команда ученых проанализировала столкновения протонов, которые были ускорены до высоких скоростей в Большом адронном коллайдере. Используя данные эксперимента CMS, исследователи изучили энтропию, возникающую в результате запутывания в протоне.

Энтропия — это свойство, которое зависит от числа возможных состояний, которые может принять система на микроскопическом уровне. В качестве аналогии можно привести колоду карт: перетасованная колода имеет несколько способов упорядочения, в то время как упорядоченная колода имеет только один, поэтому перетасованные карты имеют более высокую энтропию.

Если в протоне существует запутанность, в результате этих связей будет возникать дополнительная энтропия. Эту энтропию можно выявить путем подсчета количества частиц, образующихся при каждом столкновении. Количество энтропии, найденное исследователями, согласуется с ожидаемым, если предположить, что кварки и глюоны запутаны, сообщают физики в своей статье, которая в настоящее время ожидает экспертной оценки перед публикацией в журнале.

Указание на запутанность еще не является окончательным, говорит физик-теоретик Штефан Флёрхингер из Гейдельбергского университета в Германии, который не принимал участия в исследовании. Чтобы окончательно подтвердить запутанность, необходимы строгие тесты, чтобы исключить другие возможные объяснения. Вместо этого, говорит он, исследование «больше похоже на открывание двери» и может привести к дальнейшим исследованиям, которые могли бы прояснить внутреннюю физику протонов.

Одна загадка, которую может решить будущая работа, заключается в том, что кварки всегда заключены в более крупные частицы и никогда не видны сами по себе. Это заключение является «окончательным примером запутанности», — говорит соавтор исследования физик-теоретик Дмитрий Харзеев из Университета Стони Брук в Нью-Йорке. Кварки «просто не могут существовать как изолированные состояния», говорит он, и всегда связаны со своими спутниками.

Хотя это свойство кварков хорошо известно, фундаментального математического объяснения этому нет. Ученые надеются, что изучение квантовой запутанности в протонах может помочь объяснить загадку.

Z. Tu, D. Kharzeev and T. Ullrich. The EPR paradox and quantum entanglement at sub-nucleonic scales. arXiv:1904.11974. Posted April 26, 2019.