Protono vidus yra labai dinamiška, tačiau sunkiai suprantama sritis, kur kvarkai ir gliuonai nuolat sąveikauja kintančioje virtualių dalelių aplinkoje. Remdamiesi kvantinės informacijos teorija ir kvantiniu susipynimu, mokslininkai sukūrė naują metodą, kuris leidžia aiškiai ir tiksliai aprašyti šias sąveikas.
Protono vidus tiriamas per elektronų ir protonų susidūrimus
Tarptautinė mokslininkų komanda iš Brukaveno nacionalinės laboratorijos, Stony Brook universiteto (JAV), Pueblos universiteto (Meksika) ir Lenkijos mokslų akademijos Branduolinės fizikos instituto sukūrė metodą, kuris pirmą kartą sėkmingai paaiškina antrinių dalelių sklaidą elektronų ir protonų susidūrimuose.
Protonas nėra elementarioji dalelė – jis sudarytas iš trijų kvarkų, sujungtų gliuonais, kurie užtikrina stipriąją sąveiką.
Šios sąveikos yra tokios intensyvios, kad protono viduje nuolat atsiranda ir išnyksta virtualios kvarkų bei gliuonų poros.
„Norėdami suprasti, kas vyksta protono viduje, turime į jį patekti, o protonų ir elektronų susidūrimai yra geriausias būdas tai pasiekti“, – teigia profesorius Krzysztofas Kutakas.
Kvantinis susipynimas protono viduje
Tyrimo pagrindinė prielaida buvo, kad protono kvarkai ir gluonai – vadinami partonais – yra kvantiškai susipynę.
Kvantinis susipynimas reiškia, kad vieno objekto savybės keičiasi, kai keičiasi kito objekto savybės, nors informacija apie pokytį nespėjo būti perduota.
Protonų viduje susipynimas vyksta labai mažais atstumais ir veikia visus protono partonus.
Kai elektronas susiduria su protonu, įvyksta elektromagnetinė sąveika, kurios dėka fotonas pradeda „matyti“ protono struktūrą.
Dėl šios sąveikos protonas gali suirti ir sukurti daugybę antrinių dalelių. Antrinių dalelių skaičius priklauso nuo protono vidinės struktūros detalių, kurias atskleidžia fotonas.
Įsipainiojimo matavimas naudojant entropiją
Tyrėjai naudojo entropiją, kad matuotų susipynimą protonuose.
Kadangi fotonas, patekęs į protono vidų, „mato“ tik dalį jo struktūros, susipynimo entropija nėra nulis. Tai leidžia sukurti patogų matą susipynimui protonuose.
Tarptautinė komanda įrodė, kad naudojant susipynimo entropiją galima prognozuoti hadronų, susidariusių elektronų ir protonų susidūrimo metu, entropiją.
Tai patvirtinta matavimais iš HERA eksperimento, atlikto 2006-2007 m. Hamburge.
Tyrimo autoriai pabrėžia, kad jie dabar sugebėjo aprašyti visus giliųjų susidūrimų entropijos duomenis viename formalizme.
Ateities greitintuvai ir nauji atradimai
Tyrėjai tikisi, kad jų sukurta teorija padės geriau interpretuoti būsimų greitintuvų, tokių kaip elektronų ir jonų greitintuvas (EIC), duomenis.
Naujieji eksperimentiniai duomenys kartu su šiuo teoriniu požiūriu padės spręsti svarbias branduolinės fizikos problemas.
Fizikai tiki, kad entropijos analizė leis geriau suprasti, kaip stiprioji sąveika sieja kvarkus ir gliuonus protonuose bei kaip atomo branduolio dydis veikia protonų savybes.
Šaltinis: „QCD evolution of entanglement entropy”; Martin Hentschinski, Dmitri E Kharzeev, Krzysztof Kutak, Zhoudunming Tu, 2 Gruodis 2024, Reports on Progress in Physics. DOI: 10.1088/1361-6633/ad910b
