Протоны обнаруживают универсальное явление максимальной запутанности

Когда два или более квантовых объекта настолько сильно связаны между собой, что их состояния зависят друг от друга, даже если они разделены большим расстоянием, мы называем это квантовой запутанностью. Это одно из самых поразительных и таинственных явлений в физике. Оно означает, что измерение одного объекта мгновенно определяет состояние другого, без всякого физического контакта между ними.

Квантовая запутанность открывает множество потенциальных возможностей для квантовых технологий, таких как квантовые компьютеры, квантовая криптография и квантовая телепортация. Однако, чтобы использовать эти возможности, необходимо понять, как создавать, управлять и измерять запутанные состояния в различных системах.

Одной из таких систем является протон — элементарная частица, составляющая ядра атомов. Протон состоит из трех кварков, которые взаимодействуют друг с другом с помощью глюонов — частиц, переносчиков сильного взаимодействия. Сильное взаимодействие — одна из четырех фундаментальных сил природы, которая держит вместе ядра атомов и отвечает за ядерную энергию.

Протон — не просто сумма своих частей, а сложная и динамичная система, в которой кварки и глюоны постоянно рождаются и аннигилируются. Изучение внутренней структуры протона позволяет понять, как работает сильное взаимодействие на микроскопическом уровне, а также как формируются более сложные объекты, такие как адроны — частицы, состоящие из кварков и глюонов.

Одним из способов изучения протона является его столкновение с другими частицами, такими как электроны или фотоны. При этом можно наблюдать, как протон разрушается и какие частицы образуются в результате. Однако, как оказалось, при таких столкновениях происходит нечто удивительное: внутри протона создается состояние максимальной квантовой запутанности.

Максимальная квантовая запутанность означает, что все частицы внутри протона связаны так сильно, что невозможно предсказать, какие частицы будут образованы при столкновении. Это означает, что протон ведет себя как единое целое, а не как набор отдельных компонентов. Такое состояние можно сравнить с состоянием плазмы — четвертого агрегатного состояния вещества, в котором атомы ионизированы и свободно перемещаются. Плазма — та же субстанция, из которой состоит Солнце и другие звезды, в которых происходят процессы ядерного синтеза.

Первое подтверждение того, что протон находится в состоянии максимальной квантовой запутанности, было получено полтора года назад при участии польских и мексиканских физиков. Они анализировали данные с эксперимента HERA, который проводился в Германии в 1992-2007 годах. В этом эксперименте электроны и позитроны (античастицы электронов) сталкивались с протонами с высокой энергией. При этом наблюдались два типа столкновений: глубоко неупругие рассеяния, когда протон полностью разрушается и образует множество адронов, и дифракционные рассеяния, когда протон остается целым или частично разрушается, но не образует адронов в определенных угловых интервалах.

Физики показали, что в обоих типах столкновений протон находится в состоянии максимальной квантовой запутанности, но с небольшой разницей: в случае дифракционных рассеяний максимальная запутанность достигается при несколько более высокой энергии. Это связано с тем, что в этих столкновениях фотон взаимодействует не с отдельным кварком или глюоном в протоне, а с более сложной структурой, называемой помероном. Померон — это связанное состояние глюонов, в котором их цветовой заряд нейтрализуется. Помероны играют важную роль в теории сильного взаимодействия и могут объяснить, почему протон иногда ведет себя как твердое тело, а не как газ.

Новые результаты дополняют наши знания о внутренней структуре протона и о природе квантовой запутанности. Они также имеют практическое значение для будущих экспериментов, таких как Электрон-Ионный Коллайдер, который планируется построить в США. Этот коллайдер позволит изучать столкновения электронов и ионов с еще большей точностью и разрешением, а также исследовать новые феномены, связанные с квантовой запутанностью.