Международная группа ученых, включая исследователей из Института ядерной физики Польской академии наук (IFJ PAN), применила методы квантовой информатики для изучения внутренней структуры протона.
В результате было обнаружено, что квантовая запутанность внутри протона достигает максимального уровня, а ее основными источниками являются виртуальные глюоны и кварки. Новый подход позволил впервые объяснить все доступные экспериментальные данные, полученные в ходе глубоко неупругих столкновений электронов и протонов. Результаты исследования опубликованы в журнале Reports on Progress in Physics.
Квантовая запутанность — это явление, при котором свойства двух или более частиц оказываются взаимосвязанными, даже если они находятся на большом расстоянии друг от друга. Изменение состояния одной частицы мгновенно влияет на состояние другой, что противоречит классическим представлениям о передаче информации.
Для исследования внутренней структуры протона ученые использовали глубоко неупругие столкновения электронов и протонов. В таких столкновениях электрон испускает высокоэнергетический фотон, который проникает внутрь протона и взаимодействует с его составляющими — кварками и глюонами. В результате протон разрушается, образуя каскады вторичных частиц. Анализ этих частиц позволяет понять, как устроен протон.
Исследователи подтвердили, что кварки и глюоны внутри протона находятся в состоянии максимальной квантовой запутанности. Это означает, что все частицы внутри протона взаимосвязаны, и их свойства нельзя описать независимо друг от друга. Кроме того, ученые ввели понятие энтропии запутанности, которая позволяет количественно измерить степень запутанности системы. Чем меньше информации доступно о внутренней структуре протона, тем выше энтропия запутанности.
Новый подход позволяет более точно интерпретировать данные экспериментов на ускорителях частиц, таких как HERA в DESY (Гамбург) и будущем Electron-Ion Collider (EIC) в Брукхейвенской национальной лаборатории (США). Это открывает путь к пониманию того, как сильные взаимодействия связывают кварки и глюоны в протонах, а также как свойства протона изменяются внутри атомного ядра.
Ученые планируют продолжить исследования, чтобы глубже понять природу сильных взаимодействий и роль квантовой запутанности в формировании материи. Это может привести к новым открытиям в ядерной физике и квантовой теории.
Исследование проводилось при участии ученых из Брукхейвенской национальной лаборатории (BNL), Университета Стоуни-Брук (SBU), Университета де лас Америса Пуэбла (UDLAP) и Института ядерной физики Польской академии наук (IFJ PAN).