IFJ PAN: Wnętrze protonu jest maksymalnie splątane

Data dodania: wtorek, 22 marca 2022, autor: nuclear.pl

Fragmenty wnętrza protonu są ze sobą kwantowo splątane, na dodatek w maksymalny sposób, wykazali naukowcy z Meksyku i Polski. Odkrycie, już skonfrontowane z danymi doświadczalnymi, pozwala przypuszczać, że pod pewnymi względami fizyka wnętrza protonu może mieć wiele wspólnego nie tylko z dobrze znanymi zjawiskami termodynamicznymi, ale nawet z fizyką... czarnych dziur.

Różne części wnętrza protonu muszą być ze sobą maksymalnie splątane, w przeciwnym razie przewidywania teoretyczne nie zgadzałyby się z danymi zebranymi w eksperymentach, wykazano na łamach czasopisma „European Physical Journal C”. Z zaprezentowanego tam modelu teoretycznego (będącego rozszerzeniem wcześniejszej konstrukcji Dimitriego Kharzeeva i Eugene'a Levina) wynika, że wbrew obecnemu przekonaniu fizyka działająca we wnętrzu protonów może mieć związek z takimi pojęciami jak entropia czy temperatura, co z kolei może ją wiązać z tak egzotycznymi tworami jak czarne dziury. Autorami odkrycia są dr Martin Hentschinski z meksykańskiego Universidad de las Americas Puebla oraz dr hab. Krzysztof Kutak z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk w Krakowie.

Meksykańsko-polski zespół analizował od strony teoretycznej sytuację, w której protony są ostrzeliwane elektronami. Gdy nadlatujący elektron, niosący ujemny ładunek elektryczny, zbliża się do dodatnio naładowanego protonu, oddziałuje z nim elektromagnetycznie i odchyla swój tor ruchu – tym bardziej, im silniejsza była interakcja. Oddziaływanie elektromagnetyczne oznacza, że między elektronem a protonem doszło do wymiany fotonu. Im silniejsze było to oddziaływanie, tym większa była zmiana pędu fotonu, a zatem tym krótsza była związana z nim fala elektromagnetyczna.

- Jeśli foton jest dostatecznie "krótki", by "zmieścić" się w protonie, zaczyna 'wyczuwać' detale jego budowy wewnętrznej. Wskutek oddziaływania z takim fotonem proton może się rozpaść na cząstki pochodne. My wykazaliśmy, że między obu sytuacjami występuje splątanie: jeśli obserwacja przez foton części wnętrza protonu doprowadziła do jego rozpadu na pewną liczbę cząstek pochodnych, dajmy na to trzy, to liczba cząstek pochodzących z nieobserwowanej części protonu jest zdeterminowana przez liczbę cząstek zauważonych w obserwowanej części protonu - wyjaśnia dr Kutak.

O kwantowym splątaniu można mówić wtedy, gdy w różnych obiektach kwantowych wartości pewnej cechy są ze sobą powiązane. Klasyczną analogię zjawiska można przedstawić za pomocą rzutu monetą. Przyjmijmy, że jeden obiekt to jedna strona monety, a drugi obiekt to jej druga strona. Jeśli rzucamy jedną monetą, z tym samym prawdopodobieństwem moneta może upaść do góry orłem lub reszką. Jeśli wypadnie orzeł, wiemy z pewnością, że po drugiej stronie musiała być reszka. Możemy wtedy mówić o maksymalnym splątaniu, ponieważ prawdopodobieństwo określające wartość cechy obiektu nie faworyzuje żadnej możliwej wartości: mamy 50% szans na reszkę i tyle samo na orła. Splątanie mniejsze od maksymalnego pojawia się wtedy, gdy prawdopodobieństwo zaczyna mniej lub bardziej faworyzować któryś z możliwych wyników.

- Z naszych badań wynika, że wnętrze protonu zauważone przez przelatujący foton musi być splątane z częścią niedostrzeżoną właśnie w sposób maksymalny. W praktyce oznacza to, że nie mamy żadnych szans przewidzieć, czy wskutek oddziaływania z fotonem proton rozpadnie się na trzy, cztery czy na inną liczbę cząstek pochodnych - tłumaczy dr Hentschinski.

Przewidywania teoretyczne obu fizyków zostały już zweryfikowane. Gdyby splątanie we wnętrzu protonu nie było maksymalne, pojawiłyby się rozbieżności w stosunku do wyników eksperymentu H1 przy akceleratorze HERA w ośrodku DESY w Hamburgu, gdzie do 2007 roku zderzano z protonami pozytony (czyli antycząstki elektronów). Takich rozbieżności nie zauważono.

Sukces meksykańsko-polskiego tandemu wynika z faktu, że badaczom udało się poprawnie zidentyfikować czynniki odpowiedzialne za maksymalne splątanie wnętrza protonu.

W szkolnym, naiwnym ujęciu proton jest zlepkiem trzech cząstek elementarnych: dwóch kwarków górnych i jednego dolnego. Jednak oddziaływania silne między tymi kwarkami, przenoszone przez gluony, mogą być tak potężne, że prowadzą do powstawania wirtualnych par cząstka-antycząstka. Mogą to być nie tylko pary wirtualnych gluonów (które są własnymi antycząstkami), ale również pary zbudowane z jakiegoś kwarka i odpowiadającego mu antykwarka (nawet tak masywnego jak powabny). Wszystko to powoduje, że wewnątrz protonu oprócz trzech kwarków walencyjnych znajdują się ciągle „wrzące” morza wirtualnych gluonów oraz wirtualnych kwarków i antykwarków.

- We wcześniejszych publikacjach zajmujący się tematyką specjaliści zakładali, że źródłem splątania powinno być morze gluonów. Później próbowano pokazać, że dominującym źródłem splątania są kwarki i antykwarki, lecz i tu zaproponowane metody opisu nie wytrzymały próby czasu. Tymczasem zgodnie z naszym modelem, zweryfikowanym przez konfrontację z danymi eksperymentalnymi, morze wirtualnych gluonów odpowiada za mniej więcej 80% splątania, podczas gdy morze wirtualnych kwarków i antykwarków za pozostałe 20% - podkreśla dr Kutak.

Od niedawna fizycy kwantowi wiążą ze stanem we wnętrzu protonu entropię. Jest to wielkość dobrze znana z klasycznej termodynamiki, gdzie służy do mierzenia stopnia nieuporządkowania ruchu cząstek analizowanego układu. Przyjmuje się, że gdy układ jest nieuporządkowany, to ma dużą entropię, podczas gdy układ uporządkowany ma ją małą. Niedawno wykazano, że w przypadku protonu z powodzeniem można mówić o entropii splątania. Jednak wielu fizyków uznawało proton za stan kwantowo czysty, w którym w ogóle nie powinno się mówić o entropii. Zgodność polsko-meksykańskiego modelu z doświadczeniem to silny argument za tym, że w odniesieniu do splątania we wnętrzu protonu wprowadzenie pojęcia entropii przez poprzedników (Kharzeeva i Levina) jednak ma rację bytu. A ponieważ entropię splątania wiąże się także z takimi pojęcia jak powierzchnia czarnych dziur, najnowszy wynik otwiera ciekawe pole do dalszych badań.