Группа ученых добилась большого прогресса в изучении внутренней структуры протонов – частиц, находящихся в ядрах всех атомов. Им впервые удалось доказать, что кварки и глюоны, из которых состоят протоны, подвержены квантовой запутанности – загадочному явлению, которое когда-то приводило в замешательство самого Альберта Эйнштейна.
Квантовая запутанность означает, что две связанные частицы могут мгновенно влиять на состояние друг друга независимо от расстояния между ними – даже если они находятся на противоположных концах Вселенной. Феномен казался невозможным с точки зрения теории относительности, согласно которой ничто не может двигаться быстрее света.
Эйнштейн был настолько озадачен квантовой запутанностью, что назвал ее “жутким дальнодействием” (spukhafte Fernwirkung). Однако, несмотря на его скептицизм, концепция неоднократно подтверждалась экспериментально. Большинство предыдущих исследований были направлены на изучение запутанности на все больших расстояниях. Новый эксперимент пошел в противоположном направлении – ученые обнаружили запутанность на расстоянии всего в одну квадриллионную долю метра, внутри отдельных протонов.
“До нашей работы никто не искал квантовую запутанность внутри протона в экспериментальных данных столкновений высоких энергий”, – рассказывает физик Лаборатории Брукхейвена Жоудунмин Ту. “Десятилетиями мы придерживались традиционного взгляда на протон как на набор кварков и глюонов, сосредотачиваясь на изучении свойств отдельных частиц и их распределении внутри протона. Теперь, когда мы получили доказательства запутанности кварков и глюонов, картина изменилась. Мы имеем дело с гораздо более сложной, динамичной системой”.
Теперь ученым предстоит выяснить, что происходит с квантовой запутанностью, когда протон находится в более сложном окружении. Например, может ли плотная ядерная среда, в которой частица окружена множеством других взаимодействующих протонов и нейтронов, нарушить её свойства? Процесс, известный как “квантовая декогеренция”, станет одним из главных направлений будущих исследований.
В целом исследование, которое длилось шесть лет, сильно расширило понимание того, как квантовая запутанность влияет на структуру протонов. Чтобы изучить их внутреннее строение, ученые анализировали данные процессов, происходивших в Большом адронном коллайдере. При столкновении частиц на огромных скоростях другие частицы разлетаются в разные стороны, подобно осколкам при автомобильной аварии.
Команда использовала методику, разработанную в 2017 году. В ней к столкновениям электронов и протонов применяются принципы квантовой информатики. Таким образом можно определить, что и как влияет на траектории разлетающихся фрагментов. Если кварки и глюоны действительно находятся в состоянии квантовой запутанности внутри протонов, это должно отражаться на хаотичности или “энтропии” потоков дочерних частиц.
“Представьте детскую комнату, где одежда и вещи разбросаны повсюду”, – поясняет Ту. “В неорганизованном пространстве энтропия очень высока”. А низкая энтропия, напротив, похожа на аккуратно убранную комнату, где все находится на своих местах. Беспорядок в данном случае и указывает на наличие запутанности.
Ученые смогли проверить свои теоретические предсказания сразу на двух наборах экспериментальных данных. В дополнение к экспериментам на БАК они использовали результаты более “чистых” электрон-протонных столкновений с ускорителя HERA.
Данные HERA предоставила команда H1 и ее представитель Стефан Шмитт из исследовательского центра DESY после трехлетних поисков в архивах. Сравнение этих сведений с расчетами энтропии идеально совпало с предсказаниями ученых. Вот оно – убедительное доказательство максимальной запутанности кварков и глюонов внутри протонов.
“Запутанность возникает не только между двумя частицами, но между всеми частицами”, – поясняет Дмитрий Харзеев, теоретик из Лаборатории Брукхейвена. “Максимальная запутанность внутри протона возникает как следствие сильных взаимодействий, порождающих большое количество пар кварк-антикварк и глюонов”.
Проект имеет особое значение для будущего физики элементарных частиц. Один из ключевых вопросов, который предстоит решить: сохраняется ли это состояние, когда протон становится частью более крупного атомного ядра, или сложное окружение разрушает его? Ответ может полностью перевернуть наше понимание строения материи.