Splątanie wewnątrz protonu „prześwietlone” narzędziami kwantowej informacji
5 lutego 2025
EurekAlert!: [https://www.eurekalert.org/news-releases/1072805]
Podczas głęboko nieelastycznego zderzenia z protonem elektron poruszający się z prędkością bliską prędkości światła (wyróżniony kolorem niebieskim) może wyemitować wysokoenergetyczny foton (tu fioletowy), który wleci do wnętrza protonu, gdzie „zauważy” tylko część splątanych kwarków, gluonów i cząstek wirtualnych. Wzbudzony proton rozpada się później w kaskadach cząstek wtórnych. (Źródło: IFJ PAN, jch)
W ostatnich latach wnętrze protonu próbowano opisywać za pomocą pojęć i narzędzi teoretycznych związanych z kwantową informacją, co zaowocowało częściowymi sukcesami. Odkryto na przykład, że kwantowe splątanie w protonie jest maksymalne, a jego głównymi źródłami są nieustannie się „gotujące” morza wirtualnych gluonów i kwarków. We właśnie przedstawionej odsłonie nowy formalizm stał się już tak uniwersalny, że po raz pierwszy poprawnie odtwarza wszystkie obecnie dostępne dane eksperymentalne.
Trudno sobie wyobrazić świat bardziej dynamiczny i zarazem bardziej niedostępny od wnętrza protonu. Złożone interakcje tworzących go kwarków, gluonów i ustawicznie „kipiącego” morza cząstek wirtualnych udało się obecnie spójnie opisać dzięki umiejętnemu użyciu narzędzi kwantowej teorii informacji i zjawisku kwantowego splątania. Nowy, bardziej od dotychczasowego uniwersalny formalizm pozwolił po raz pierwszy wytłumaczyć dane ze wszystkich dostępnych pomiarów związanych z rozpraszaniem się cząstek wtórnych produkowanych w trakcie głęboko nieelastycznych zderzeń elektronów z protonami. W skład zespołu odpowiedzialnego za osiągnięcie wchodzą teoretycy z Brookhaven National Laboratory (BNL) i Stony Brook University (SBU) w Nowym Jorku, meksykańskiego Universidad de las Americas Puebla (UDLAP) oraz Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie.
„Jeśli chcemy poznać zjawiska zachodzące wewnątrz protonu, najpierw musimy jakoś się tam dostać.
Obecnie najlepszym sposobem są zderzania protonów z elektronami, ponieważ te ostatnie
nie tylko mają rozmiary znacznie mniejsze od protonów, ale przede wszystkim są cząstkami elementarnymi,
mamy więc gwarancję, że same na nic się nie rozpadną
”, wprowadza w tematykę
prof. dr hab. Krzysztof Kutak (IFJ PAN), jeden z autorów artykułu opublikowanego w czasopiśmie
„Reports on Progress in Physics”.
Proton nie jest cząstką elementarną. W najprostszym ujęciu przyjmuje się, że składa się on z trzech kwarków walencyjnych (dwóch górnych i jednego dolnego) „sklejanych” za pomocą gluonów, czyli cząstek przenoszących oddziaływania silne. Oddziaływania te są tak potężne, że we wnętrzu protonu ustawicznie pojawiają się i znikają pary wirtualnych kwarków i antykwarków (nawet tak masywnych jak powabne) oraz pary wirtualnych gluonów (co jest możliwe, ponieważ cząstki te są dla siebie antycząstkami).
W opisywanych badaniach kluczowe było założenie, że mimo ekstremalnie małych rozmiarów protonu tworzące go kwarki i gluony – wspólnie nazywane partonami – są kwantowo splątane. O splątaniu między obiektami kwantowymi mówimy wtedy, gdy wartości jakiejś cechy jednego obiektu reagują na jej zmiany w innym mimo faktu, że informacja o zmianie nie miała czasu, by zostać między nimi przesłana za pomocą jakiegokolwiek nośnika transportowanego przez przestrzeń.
„W przypadku wnętrza protonu splątanie występuje na trudnych do wyobrażenia odległościach
rzędu jednej biliardowej metra i mniejszych i jest cechą kolektywną. Jak wykazaliśmy w swoich
wcześniejszych publikacjach, dotyczy ono nie kilku, lecz wszystkich partonów w protonie
”, mówi
prof. Martin Hentschinski (UDLAP).
Gdy próbując poznać maksymalnie splątane wnętrze protonu uderzamy w niego elektronem, między obu cząstkami dochodzi do oddziaływania elektromagnetycznego, którego nośnikiem jest foton. W zderzeniach głęboko nieelastycznych energia wymienianego fotonu jest tak duża, że związana z nim fala elektromagnetyczna zaczyna się „mieścić” w protonie i „dostrzegać” detale jego wewnętrznej struktury. Wskutek interakcji z fotonem proton może się następnie rozpaść produkując liczne cząstki wtórne. Splątanie przejawi się tu w fakcie, że liczba cząstek pochodnych wyprodukowanych w trakcie zderzenia jest wielkością zdeterminowaną jedynie przez próbkowany obszar protonu.
„Tak dochodzimy do pojęcia entropii, szczególnie istotnego w badaniach układów o dużej złożoności
oraz w informacji kwantowej. Gdybyśmy dzięki zderzeniom głęboko nieelastycznym mieli dostęp
do pełnej informacji o splątaniu w protonie, moglibyśmy mówić o entropii splątania równej
zero. Jednak foton penetrujący wnętrze protonu 'widzi' tylko część wnętrza protonu, pozostała
część pozostaje dla niego ukryta – a to oznacza, że entropia splątania jest niezerowa. Mamy zatem
do dyspozycji wygodną miarę ilości splątania w protonie
”, tłumaczy prof. Dmitri Kharzeev
(SBU, BNL).
W omawianym artykule międzynarodowy zespół fizyków dowiódł, że na podstawie entropii splątania można przewidzieć entropię cząstek wtórnych wyprodukowanych w zderzeniu elektronu z protonem. W rezultacie przy maksymalnym splątaniu kwarków i gluonów w protonie należy się spodziewać dużej entropii cząstek pochodnych, przejawiającej się m.in. w niemożliwości określenia, ile cząstek zostanie wyprodukowanych w konkretnym zderzeniu. Przewidywania te obecnie zweryfikowano dla wszystkich wariantów pomiarów przeprowadzonych w latach 2006-2007 w ramach eksperymentu H1 przy akceleratorze HERA w ośrodku DESY w Hamburgu, gdzie pojedyncze protony zderzały się z pozytonami, czyli antycząstkami elektronów.
„Splątaniem wewnątrz protonu zajmujemy się już od kilku lat. O ile nasze wcześniejsze prace teoretyczne
weryfikowaliśmy poprzez konfrontację z pomiarami z konkretnych sesji pomiarowych,
o tyle teraz w ramach jednego, uniwersalnego formalizmu zdołaliśmy opisać wszystkie dotychczasowe
dane doświadczalne, które można wiązać z entropią splątania w protonie
”, podkreśla dr Zhoudunming
Tu (BNL).
Zespół fizyków zaangażowanych w projekt przewiduje, że właśnie uogólniony formalizm umożliwi łatwiejszą i dokładniejszą interpretację pomiarów z przyszłych zderzaczy, takich jak Electron-Ion Collider (EIC), który na początku przyszłej dekady zostanie uruchomiony w laboratorium w Brookhaven. Elektrony będą się tu zderzały nie z pojedynczymi protonami, lecz z jonami, czyli kompleksami protonów i neutronów. W połączeniu z nowymi danymi eksperymentalnymi, zaproponowane podejście teoretyczne powinno wówczas pomóc w rozwikłaniu istotnych problemów współczesnej fizyki jądrowej.
„Dziś dysponujemy silną przesłanką, że nasz nowy formalizm uwzględniający entropię splątania
nie jest przypadkowo skorelowany z jakimś konkretnym sposobem pomiaru zjawisk jądrowych,
lecz ma rzeczywistą zdolność tłumaczenia natury obserwowanych zdarzeń. Jesteśmy przekonani,
że dzięki badaniom entropii splątania będziemy w stanie lepiej zrozumieć, jak oddziaływania silne
wiążą kwarki i gluony w protonach czy odpowiedzieć na pytanie, jak przynależność do większego
jądra atomowego wpływa na właściwości pojedynczego protonu
”, podsumowuje prof. Kutak.
[PDF]
Kontakt:
dr hab. Krzysztof Kutak
Instytut Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk
tel.: +48 12 662 8312
email: krzysztof.kutak@ifj.edu.pl
Publikacje naukowe:
„QCD evolution of entanglement entropy”
M. Hentschinski, D. E. Kharzeev, K. Kutak, Z. Tu
Reports on Progress in Physics 2024, 87, 120501
DOI: https://doi.org/10.1088/1361-6633/ad910b
Materiały graficzne:
Podczas głęboko nieelastycznego zderzenia z protonem elektron poruszający się z prędkością bliską prędkości światła (wyróżniony kolorem niebieskim) może wyemitować wysokoenergetyczny foton (tu fioletowy), który wleci do wnętrza protonu, gdzie „zauważy” tylko część splątanych kwarków, gluonów i cząstek wirtualnych. Wzbudzony proton rozpada się później w kaskadach cząstek wtórnych. (Źródło: IFJ PAN, jch)