Исследователи из Мексики, США, России и Китая совершили значительный прорыв в изучении внутренней структуры протонов — элементарных частиц, составных единиц ядер атомов. Впервые они продемонстрировали, что кварки и глюоны, из которых состоят протоны, обладают удивительным свойством квантовой запутанности — феноменом, который некогда ставил в замешательство самого Альберта Эйнштейна.
Квантовая запутанность подразумевает, что две связанные частицы способны мгновенно влиять друг на друга, вне зависимости от расстояния между ними — даже если они находятся на противоположных концах Вселенной. Этот уникальный феномен казался невозможным с точки зрения теории относительности, согласно которой ничто не может двигаться быстрее света.
Эйнштейн был настолько озадачен квантовой запутанностью, что охарактеризовал её как "жуткое дальнодействие" (spukhafte Fernwirkung). Тем не менее, несмотря на его скептицизм, данная концепция неоднократно находила экспериментальные подтверждения. Большинство предыдущих исследований сосредотачивались на запутанности на значительных расстояниях. Новый эксперимент, напротив, пришёл к обнаружению запутанности на расстоянии всего в одну квадриллионную долю метра — внутри отдельных протонов.
"До нашей работы никто не исследовал квантовую запутанность внутри протона в контексте экспериментальных данных столкновений высоких энергий", — рассказывает физик Лаборатории Брукхейвена Жоудунмин Ту. "Десятилетиями мы придерживались традиционного взгляда на протон как на совокупность кварков и глюонов, сосредоточиваясь на исследовании свойств отдельных частиц и их распределения. Теперь же, обладая доказательствами запутанности кварков и глюонов, мы сталкиваемся с гораздо более сложной и динамичной системой".
Теперь учёным предстоит выяснить, что происходит с квантовой запутанностью, когда протон оказывается в более сложной среде. Например, в условиях плотной ядерной среды, где частица окружена множеством взаимодействующих протонов и нейтронов, может ли это нарушить её свойства? Процесс, известный как "квантовая декогеренция", станет одним из главных направлений будущих исследований.
Общее исследование, которое продолжалось шесть лет, значительно углубило понимание того, как квантовая запутанность влияет на структуру протонов. Чтобы изучить их внутреннее строение, учёные анализировали данные, полученные в ходе экспериментов на Большом адронном коллайдере. При столкновении частиц на гигантских скоростях другие частицы разлетаются в стороны, подобно осколкам в результате автомобильной аварии.
Команда использовала методику, разработанную в 2017 году, которая применяет принципы квантовой информатики к столкновениям электронов и протонов. Это позволяет определить, что и как влияет на траектории разлетающихся фрагментов. Если кварки и глюоны действительно находятся в состоянии квантовой запутанности внутри протонов, это должно отображаться на хаотичности или "энтропии" потоков производных частиц.
"Представьте детскую комнату, где одежда и игрушки разбросаны повсюду", — поясняет Ту. "В таком беспорядке энтропия будет высокой". Низкая же энтропия, наоборот, напоминает аккуратно убранное пространство, в котором всё располагается на своём месте. Таким образом, наличием беспорядка можно указать на присутствие запутанности.
Учёные смогли проверить свои теоретические предсказания сразу на двух наборах экспериментальных данных. Кроме экспериментов на БАК, они использовали результаты более "чистых" электрон-протонных столкновений с ускорителя HERA. Данные HERA были предоставлены командой H1 и её представителем Стефаном Шмиттом из исследовательского центра DESY после трёхлетнего поиска в архивах. Сравнение этих сведений с расчётами энтропии идеально совпало с предсказаниями учёных. Вот оно — убедительное доказательство максимальной запутанности кварков и глюонов внутри протонов.
Исследование, проведенное международной командой ученых, открывает новые горизонты в понимании элементарных частиц и их взаимодействий. Прорыв в изучении квантовой запутанности внутри протонов не только подтверждает существование этого загадочного явления, но и ставит перед исследователями ряд новых вопросов.
Одним из наиболее интригующих аспектов является возможность применения полученных знаний в различных областях физики. Например, понимание квантовой запутанности может привести к разработке новых технологий в области квантовых вычислений и квантовой криптографии. Если запутанность может сохраняться даже в сложных ядерных средах, это откроет путь к созданию более мощных и безопасных квантовых систем.
Кроме того, исследование может помочь в понимании процессов, происходящих во Вселенной в момент ее рождения. Квантовая запутанность играет ключевую роль в ранних стадиях формирования материи, и изучение ее свойств в протонах может дать подсказки о том, как формировались звезды и галактики.
В заключение, открытие о квантовой запутанности внутри протонов не только расширяет наши знания о структуре материи, но и открывает новые перспективы для будущих исследований в области физики элементарных частиц. Ученым предстоит еще много работы, чтобы разгадать тайны, которые скрываются за этим феноменом, и понять, как они могут изменить наше восприятие мира на микроскопическом уровне.
