Protoner afslører et universelt fænomen med maksimal sammenfiltring

Når en højenergifoton rammer en proton, divergerer sekundære partikler på en måde, der indikerer, at indersiden af ​​protonen er maksimalt sammenfiltret. Et internationalt hold af fysikere med deltagelse af Institut for Kernefysik ved det polske videnskabsakademi i Krakow har netop demonstreret, at maksimal sammenfiltring er til stede i protonen selv i de tilfælde, hvor pomeroner er involveret i kollisionerne.

For 18 måneder siden blev det vist, at forskellige dele af protonens indre maksimalt skal være kvantefiltreret med hinanden. Dette resultat, opnået med deltagelse af prof. Krzysztof Kutak fra Institute of Nuclear Physics ved det polske videnskabsakademi (IFJ PAN) i Krakow og prof. Martin Hentschinski fra Universidad de las Americas Puebla i Mexico, var en konsekvens af overvejelser og observationer af kollisioner af højenergifotoner med kvarker og gluoner i protoner og understøttede hypotesen fremlagt et par år tidligere af professorerne Dimitri Kharzeev og Eugene Levin.

Nu i et papir offentliggjort i tidsskriftet Physical Review Letters , har et internationalt hold af fysikere fået præsenteret en komplementær analyse af sammenfiltring for kollisioner mellem fotoner og protoner, hvor sekundære partikler (hadroner) produceres ved en proces kaldet diffraktiv dyb uelastisk spredning. Hovedspørgsmålet var:sker der også sammenfiltring blandt kvarker og gluoner i disse tilfælde, og er det i så fald også maksimalt?

For at sige det på en enkel måde taler fysikere om sammenfiltring mellem forskellige kvanteobjekter, når værdierne af nogle træk ved disse objekter er relaterede. Kvantesammenfiltring observeres ikke i den klassiske verden, men dens essens kan let forklares ved at kaste to mønter. Hver mønt har to sider, og når den falder, kan den tage en af ​​to gensidigt udelukkende værdier (hoveder eller haler) med samme sandsynlighed.

Vi ville have at gøre med analogen til kvantesammenfiltring, hvis vi, når vi kaster to mønter samtidigt, altid opnår enten kun to forskellige resultater (hoveder og haler) eller to identiske resultater (to hoveder eller to haler). Her ville sammenfiltringen være maksimal, fordi ingen værdi ville blive begunstiget - sandsynligheden for, at en mønt er i tilstanden med hoveder eller hale vil stadig være 50%. Hvis sammenfiltringen ikke var maksimal, ville situationen være anderledes.

Vi ville ikke altid observere de samme to kombinationer, men nogle gange også den anden.

"I kernefysik kan eksistensen af ​​en maksimal sammenfiltringstilstand ses i eksperimentelle data, når man ser på det; vi ved, at... vi ved ingenting. I visse kollisioner af en elektron med en proton, kaldet dyb uelastisk spredning, protonen bryder fuldstændigt op, og mange partikler, der er underlagt de stærke vekselvirkninger - såkaldte hadroner - produceres så med en maksimalt sammenfiltret tilstand af protonen, når vi ikke kan forudsige, hvor mange hadroner, der vil blive skabt i en given kollision," Prof. . Kutak forklarer.

Tidligere undersøgelser af den maksimale sammenfiltring af protonens indre adresserede det ovennævnte tilfælde, hvor hadroner blev produceret i den dybe uelastiske spredning af en elektron og en proton. Sådanne reaktioner er lette at få øje på i eksperimenter, fordi de resulterer i, at sekundære partikler divergerer i stort set alle retninger (dvs. dem, der involverer protonernes primære bevægelsesretning).

"Man ved dog, at stort set hver tiende kollision sker forskelligt:​​Bag kollisionspunktet ses i visse vinkelintervaller slet ingen partikler. Det er netop sådanne processer, vi kalder diffraktion eller eksklusiv produktion, og de er ved centrum for vores nuværende forskning i kvantesammenfiltring," tilføjer Prof. Kutak.

Produktion i den dybe uelastiske proces er resultatet af interaktionen af ​​en foton med partoner (kvarker og gluoner) i en proton. I tilfælde af diffraktiv produktion interagerer fotonen også med en parton i protonen, men en der er en del af en større struktur kaldet en pomeron.

Det vigtigste kvantetræk ved gluoner er deres farve (som ikke har noget at gøre med farve, som vi kender den i hverdagen, bortset fra navnet). Sekundære partikler, observeret i detektorer som en effekt af kollisioner, er resultatet af processer, hvor kvarker og gluoner i en proton udveksler deres farveladning. Gluoner kan dog danne bundne tilstande kaldet pomeroner, hvor farven er gensidigt neutraliseret.

Når det under en kollision mellem en foton og en parton viser sig, at partonen var en del af en pomeron, vil kollisionen ikke producere hadroner, der divergerer over det fulde vinkelområde dækket af detektorerne. I stedet vil nogle af detektorerne, teoretisk set i stand til at se de partikler, der produceres under den pågældende kollisionsfase, forblive tavse.

Det internationale hold af fysikere var i stand til at vise, at der under kollisioner, der involverer pomeroner, også skabes en tilstand inde i protonen, hvor alle partikler er maksimalt viklet ind. En forskel fra de tidligere analyserede tilfælde er dog tydelig:når pomeroner er involveret, vises den maksimale sammenfiltring ved lidt højere energi.

Den nuværende forskning supplerer vores tidligere viden om hændelsesforløbet under kollisioner mellem fotoner og protoner. Takket være det kan det nu siges, at maksimal sammenfiltring er et universelt fænomen i disse processer, der er til stede i begge sekundære partikelproduktionsmekanismer, vi kender til.

"Vores resultat har ikke kun teoretisk, men også praktisk betydning. Faktisk vil en dybere forståelse af, hvordan en maksimalt sammenfiltret tilstand dannes inde i protonen, give mulighed for en bedre fortolkning af resultater fra fremtidige partikelkolliderer såsom Electron-Ion Collideren." afslutter prof. Kutak

Flere oplysninger: Martin Hentschinski et al., Probing the Onset of Maximal Entanglement in the Proton in Diffractive Deep Inelastic Scattering, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.241901

Journaloplysninger: Physical Review Letters

Leveret af det polske videnskabsakademi