物理學家揭開質子內隱藏的量子世界，超乎想像！

質子可不是簡單的粒子，它就像一個旋轉的大鍋，裡面有夸克、膠子，還存在著量子糾纏。科學家運用這種糾纏現象，發展出一個通用模型，用以解釋高能碰撞中粒子是如何產生的。他們的預測與過去的實驗資料相符，未來的對撞機將對他們的理論進行最終檢驗，這可能會重塑我們對核物理學的認知。

質子內部是物理學中最具活力卻又難以捉摸的領域之一。在這個微小的粒子內部，夸克和膠子在不斷變化的虛粒子海洋中相互作用。如今，科學家運用量子資訊理論和量子糾纏的概念，開發出一個全新的框架，以前所未有的清晰度描述這些相互作用。

這一方法首次成功解釋了所有涉及電子與質子深度非彈性碰撞中次級粒子散射的實驗資料。這一突破來自一個國際理論學家團隊，成員來自紐約的布魯克黑文國家實驗室（BNL）和石溪大學（SBU）、墨西哥的美洲大學普埃布拉分校（UDLAP），以及克拉科夫的波蘭科學院核物理研究所（IFJ PAN）。

發表在《物理學進展報告》上的文章作者之一、IFJ PAN的Krzysztof Kutak教授表示：「如果我們想了解質子內部發生的現象，首先得想辦法進入那裡。目前，質子和電子的碰撞是最好的方法，因為電子不僅比質子小得多，而且最重要的是，它們是基本粒子，所以我們能確保它們自身不會衰變成其他東西。」

質子並不是基本粒子。簡單來說，它被認為是由三個價夸克（兩個上夸克和一個下夸克）透過膠子「粘在一起」構成的，膠子是攜帶強相互作用的粒子。這些相互作用非常強大，在質子內部，虛夸克和反夸克對（甚至像粲夸克那樣重的）以及虛膠子對（因為這些粒子互為反粒子，所以這種情況是可能的）不斷出現和消失。

在這項研究中，關鍵假設是，儘管質子尺寸極小，但構成它的夸克和膠子（統稱為部分子）是量子糾纏的。當一個量子物體的某一特性值會對另一個物體的變化做出反應，且有關這種變化的資訊還沒來得及透過任何在空間中傳輸的載體在它們之間傳遞時，我們就說這些量子物體之間存在糾纏。

UDLAP的Martin Hentschinski教授說：「在質子內部，糾纏發生在難以想像的一萬億分之一米或更小的距離上，而且是一種集體特性。正如我們在早期出版物中所展示的，它影響的不是少數部分子，而是質子中的所有部分子。」

當電子為了探索質子內部的最大糾纏狀態而撞擊質子時，兩個粒子之間會發生電磁相互作用，其載體是光子。在深度非彈性碰撞中，交換的光子能量非常高，使得相關的電磁波開始「進入」質子內部，「看清」其內部結構的細節。

與光子相互作用的結果是，質子隨後可能會衰變，產生大量次級粒子。糾纏在此表現為，從光子「注意到」的質子部分發射出的次級粒子數量，將決定作為觀測到的強子產生的粒子數量。

由此我們引出了熵的概念，這在研究高度複雜的系統和量子資訊時尤為重要。如果透過深度非彈性碰撞，我們能獲得質子內部的全部糾纏資訊，那麼我們可以說糾纏熵為零。

然而，穿透質子內部的光子只能「看到」質子內部的一部分，其餘部分對它來說仍是隱藏的，這意味著糾纏熵不為零。SBU和BNL的Dmitri Kharzeev教授解釋說：「因此，我們有了一個衡量質子內部糾纏程度的便捷方法。」

在這篇論文中，國際物理學家團隊證明，基於糾纏熵，可以預測電子 - 質子碰撞中產生的強子的熵。結果，質子中夸克和膠子的最大糾纏表現為無法確定在特定碰撞中會產生多少粒子。目前，這些預測已經在2006 - 2007年於漢堡的DESY中心的HERA粒子加速器上進行的H1實驗的所有測量變體中得到了驗證，在該實驗中，單個質子與電子的反粒子正電子發生了碰撞。

BNL的Zhoudunming Tu博士強調：「我們研究質子內部的糾纏現象已經有好幾年了。以前，我們透過對位元定測量階段的測量結果來驗證我們的理論工作，現在，我們成功地用一個通用形式論描述了所有實驗性深度非彈性散射熵資料。」

參與該專案的物理學家團隊預計，這種通用形式論將使未來對撞機（如計劃在下個十年初在布魯克黑文實驗室啟動的電子 - 離子對撞機（EIC））的測量結果更容易、更準確地解釋。在那裡，電子不僅會與單個質子碰撞，還會與離子碰撞。結合新的實驗資料，所提出的理論方法應該有助於解決現代核物理學中的重要問題。

Kutak教授總結道：「如今，我們有強有力的證據表明，我們考慮了糾纏熵的新形式論並不是與某種特定的核現象測量方法隨機相關的，而是真正有能力解釋所觀測到的事件的本質。我們相信，透過研究糾纏熵，我們將能夠更好地理解強相互作用如何將夸克和膠子束縛在質子中，或者回答一個單個質子屬於更大的原子核會如何影響其性質的問題。」

參考文獻：QCD evolution of entanglement entropy by Martin Hentschinski, Dmitri E Kharzeev, Krzysztof Kutak and Zhoudunming Tu, 2 December 2024, Reports on Progress in Physics. DOI: 10.1088/1361 - 6633/ad910b