Среда, 21 февраля, 2024
ДомойФизикаКвантовые связи: помероны в протоне не разрушают максимальную запутанность

Квантовые связи: помероны в протоне не разрушают максимальную запутанность

- Advertisement -

Ученые продемонстрировали, что протоны максимально запутываются на квантовом уровне при столкновениях с фотонами высокой энергии, расширив эти результаты, включив в них сценарии с участием померонов. Фото: SciTechDaily.com

Когда высокая энергия фотон ударяется о протон, вторичные частицы расходятся таким образом, что это указывает на то, что внутренняя часть протона максимально запутана. Международная группа физиков при участии Института ядерной физики Польской академии наук в Кракове только что продемонстрировала, что максимальная запутанность присутствует у протона даже в тех случаях, когда в столкновениях участвуют помероны.

Восемнадцать месяцев назад было показано, что различные части внутренней части протона должны быть максимально квантово запутаны друг с другом. Этот результат, достигнутый при участии профессора Кшиштофа Кутака из Института ядерной физики Польской академии наук (IFJ PAN) в Кракове и профессора Мартина Хенщинского из Университета лас Америкас Пуэбла в Мексике, стал следствием соображений и наблюдения за столкновениями фотонов высоких энергий с кварками и глюонами в протонах и подтвердили гипотезу, выдвинутую несколькими годами ранее профессорами Дмитрием Харзеевым и Евгением Левиным.

Теперь в статье, опубликованной в журнале Письма о физических отзывахМеждународная группа физиков представила дополнительный анализ запутанности при столкновениях между фотонами и протонами, в которых вторичные частицы (адроны) образуются в результате процесса, называемого дифракционным глубоконеупругим рассеянием. Главный вопрос заключался в том, имеет ли место в этих случаях запутанность также между кварками и глюонами, и если да, то является ли она также максимальной?

Фотон внутри протона может столкнуться с временным комплексом глюонов, цветные заряды которого (показаны красным, зеленым и синим цветом) могут быть коллективно нейтрализованы. Фото: IFJ PAN.

Понимание квантовой запутанности

Проще говоря: физики говорят о запутанности между различными квантовыми объектами, когда значения некоторых свойств этих объектов связаны. Квантовая запутанность не наблюдается в классическом мире, но ее суть легко объясняется подбрасыванием двух монет. Каждая монета имеет две стороны и при падении может принять одно из двух взаимоисключающих значений (орел или решка) с одинаковой вероятностью. Мы имели бы дело с аналогом квантовой запутанности, если бы при одновременном подбрасывании двух монет мы всегда получали либо только два разных результата (орёл и решка), либо два одинаковых результата (два орла или две решки). Здесь запутанность будет максимальной, поскольку никакое значение не будет отдаваться предпочтение — вероятность того, что монета окажется в состоянии «орел» или «решка», по-прежнему будет составлять 50%. Если бы запутанность не была максимальной, ситуация была бы иной. Мы не всегда могли наблюдать одни и те же две комбинации, но иногда и другую.

«В ядерной физике существование состояния максимальной запутанности можно увидеть в экспериментальных данных, когда, глядя на него, мы знаем, что… мы ничего не знаем. При определенных столкновениях электрона с протоном, называемых глубоко неупругим рассеянием, протон полностью распадается и образуется множество частиц, подверженных сильным взаимодействиям – так называемых адронов. В таком случае мы имеем дело с максимально запутанным состоянием протона, когда мы не можем предсказать, сколько адронов будет создано в данном столкновении», — объясняет профессор Кутак.

Дифракционные процессы и помероны

Ранее исследования максимальной запутанности внутренней части протона касались упомянутого выше случая, когда адроны рождались при глубоконеупругом рассеянии электрона и протона. Такие реакции легко обнаружить в эксперименте, поскольку они приводят к расхождению вторичных частиц практически во всех направлениях (т. е. тех, которые связаны с основным направлением движения протонов).

«Однако известно, что примерно каждое десятое столкновение происходит иначе: за точкой столкновения в определенных угловых интервалах вообще не видно частиц. Именно такие процессы мы называем дифракцией или исключительным производством, и они находятся в центре наших текущих исследований квантовой запутанности», — добавляет профессор Кутак.

Рождение в глубоко неупругом процессе происходит в результате взаимодействия фотона с партонами (кварками и глюонами) в протоне. В случае дифракционного образования фотон также взаимодействует с партоном в протоне, но с тем, который является частью более крупной структуры, называемой помероном.

Важнейшей квантовой особенностью глюонов является их цвет (который не имеет ничего общего с цветом, каким мы его знаем в повседневной жизни, кроме названия). Вторичные частицы, наблюдаемые в детекторах в результате столкновений, являются результатом процессов, в которых кварки и глюоны в протоне обмениваются цветовым зарядом. Однако глюоны могут образовывать связанные состояния, называемые померонами, где цвет взаимно нейтрализуется. Когда при столкновении фотона и партона выяснится, что партон был частью померона, столкновение не приведет к образованию адронов, расходящихся во всем угловом диапазоне, охватываемом детекторами. Вместо этого некоторые детекторы, теоретически способные увидеть частицы, образовавшиеся во время рассматриваемой фазы столкновения, будут хранить молчание.

Международная команда физиков смогла показать, что при столкновениях с участием померонов внутри протона также создается состояние, в котором все частицы максимально запутаны. Однако очевидно отличие от рассмотренных ранее случаев: при участии померонов максимальное запутывание возникает при несколько большей энергии.

Настоящее исследование дополняет наши предыдущие знания о ходе событий во время столкновений фотонов и протонов. Благодаря этому теперь можно сказать, что максимальная запутанность — универсальное явление в этих процессах, присутствующее в обоих известных нам механизмах образования вторичных частиц.

«Наш результат имеет не только теоретическое, но и практическое значение. Действительно, более глубокое понимание того, как внутри протона формируется максимально запутанное состояние, позволит лучше интерпретировать результаты будущих коллайдеров частиц, таких как электрон-ионный коллайдер», — заключает профессор Кутак.

Ссылка: «Исследование возникновения максимальной запутанности внутри протона при дифракционном глубоко неупругом рассеянии», Мартин Хенчински, Дмитрий Е. Харзеев, Кшиштоф Кутак и Чжоудунмин Ту, 13 декабря 2023 г., Письма о физических отзывах.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.241901.

С польской стороны исследование финансировалось за счет европейского проекта STRONG-2020 и гранта Польско-американского фонда Костюшко.

Исходная ссылка

- Advertisement -

Популярное по теме