Международная команда ученых сделала важное открытие в квантовой физике, обнаружив квантовое запутывание между кварками и глюонами внутри протонов – составляющих ядер всех атомов.
Квантовое запутывание — феномен, при котором две частицы мгновенно могут влиять на состояние друг друга, независимо от расстояния. Эйнштейн, назвавшее это явление «жутким», был скептиком, но его существование подтверждено экспериментами.
Шестилетнее исследование позволило ученым изучить запутывание на крайне малом расстоянии — в пределах одной квадриллионной доли метра. Запутывание обнаружилось внутри отдельных протонов.
Никто до нас не исследовал запутывание внутри протона в экспериментальных данных столкновений высоких энергий. Десятилетиями рассматривали протон как совокупность кварков и глюонов, фокусируясь на свойствах отдельных частиц. Теперь, с доказательством их запутанности, картина изменилась. Мы имеем дело с гораздо более сложной, динамической системой.
Исследователи для изучения внутренней структуры протонов анализировали данные о высокоэнергетических столкновениях частиц, полученные на Большом адронном коллайдере (БАК) и ускорителе HERA. Используя технику, разработанную в 2017 году, изучили влияние запутанности на траектории частиц, вылетающих после столкновений.
Дмитрий Харзеев из Лаборатории Брукхейвена объяснил: при максимальной запутанности кварков и глюонов существует простое соотношение, позволяющее предсказать энтропию образующихся частиц после столкновения с высокой энергией. Сравнение экспериментальных данных с теоретическими расчётами энтропии показало полное совпадение, что убедительно доказывает максимальную запутанность кварков и глюонов внутри протонов.
Это открытие способно помочь понять, что объединяет фундаментальные частицы внутри атомных ядер. Оно также открывает новые возможности для изучения более сложных вопросов ядерной физики, например, как структура протонов меняется под воздействием других протонов и нейтронов в ядре атома.
Для ответа на этот вопрос необходимо сталкивать электроны не только с отдельными протонами, но и с ядрами, как подчеркнул Ту. Это станет одним из ключевых направлений исследований на строящемся электрон-ионном коллайдере (EIC) в Лаборатории Брукхейвена, запуск которого запланирован на 2030 год.