Международная группа учёных совершила революционное открытие в области квантовой физики, впервые обнаружив явление квантового запутывания между кварками и глюонами внутри протонов — частиц, находящихся в ядрах всех атомов.
Квантовое запутывание — это феномен, при котором две частицы могут мгновенно влиять на состояние друг друга независимо от расстояния между ними, даже если они находятся на противоположных концах Вселенной. Несмотря на первоначальный скептицизм Эйнштейна, называвшего это явление «жутким», его существование неоднократно подтверждалось экспериментально.
В новом исследовании, которое заняло шесть лет, учёные изучили запутывание на рекордно малом расстоянии — одной квадриллионной доли метра, обнаружив его внутри отдельных протонов.
«До нашей работы никто не исследовал запутывание внутри протона в экспериментальных данных столкновений высоких энергий. Десятилетиями мы рассматривали протон как совокупность кварков и глюонов, фокусируясь на свойствах отдельных частиц. Теперь, с доказательством их запутанности, эта картина изменилась. Мы имеем дело с гораздо более сложной, динамической системой», — отметил физик Лаборатории Брукхейвена Жоудунмин Ту.
Для изучения внутренней структуры протонов исследователи анализировали данные высокоэнергетических столкновений частиц, полученные на Большом адронном коллайдере (БАК) и ускорителе HERA. Используя технику, разработанную в 2017 году, они исследовали, как запутанность влияет на траектории частиц, вылетающих после столкновений.
Теоретик Лаборатории Брукхейвена Дмитрий Харзеев пояснил: «При максимально запутанном состоянии кварков и глюонов существует простое соотношение, позволяющее предсказать энтропию частиц, образующихся при высокоэнергетическом столкновении». Сравнение экспериментальных данных с теоретическими расчётами энтропии показало идеальное совпадение, что убедительно доказывает максимальную запутанность кварков и глюонов внутри протонов.
Это открытие может помочь понять, что удерживает эти фундаментальные частицы вместе внутри атомных ядер. Более того, оно открывает новые перспективы для исследования более глубоких проблем ядерной физики, например, как структура протонов изменяется под влиянием окружающих протонов и нейтронов в ядре атома.
«Чтобы ответить на этот вопрос, нам нужно сталкивать электроны не только с отдельными протонами, но и с ядрами», — отметил Ту. Это станет одним из ключевых направлений исследований на строящемся электрон-ионном коллайдере (EIC) в Лаборатории Брукхейвена, запуск которого запланирован на 2030 год.