物理學家繪製質子內的量子糾纏圖譜

物理學家發現了一種利用高能粒子碰撞資料窺探質子內部的新方法。他們運用量子資訊科學，繪製出從電子-質子碰撞中噴出的粒子軌跡，是如何受到質子內部量子糾纏的影響。研究結果顯示，構成質子結構的基本組成單元夸克和膠子，存在所謂的量子糾纏現象。

過去質子-電子碰撞的資料，為質子中夸克（球體）和膠子（曲線）的糾纏提供了有力證據，這在它們的強相互作用中可能扮演重要角色。圖片來源：Valerie Lentz / 布魯克海文國家實驗室。

布魯克海文實驗室的物理學家塗周敦明（孔）表示：「在進行這項研究之前，從沒有人在實驗高能碰撞資料中研究質子內部的糾纏現象。」

「數十年來，我們一直秉持著質子是夸克和膠子集合體的傳統觀點，並專注於理解所謂的單粒子性質，包括夸克和膠子在質子內部的分佈情況。」

「如今，有證據表明夸克和膠子存在糾纏，這一觀念已發生改變。我們面對的是一個更為複雜、動態的系統。」

「這篇最新論文深化了我們對糾纏如何影響質子結構的理解。」

「繪製質子內部夸克和膠子之間的糾纏圖譜，可能為核物理學中的其他複雜問題提供洞見，包括質子作為更大原子核的一部分，會如何影響其性質。」

「這將是未來電子-離子對撞機（EIC）實驗的重點之一，該核物理研究設施預計2030年代在布魯克海文實驗室啟用。」

在這項研究中，塗博士及其同事運用量子資訊科學的術語和方程式，預測糾纏對電子-質子碰撞中噴出粒子的影響。

這種碰撞是探究質子結構的常用方法，最近一次是1992年至2007年在德國漢堡的強子-電子環形加速器（HERA）粒子對撞機上進行的，未來的EIC實驗也有相關計劃。

方程式預測，如果夸克和膠子存在糾纏，可從碰撞的熵（即無序程度）中體現出來。

塗博士說：「可以想像一個小孩凌亂的臥室，到處都是髒衣服和其他東西。在那個雜亂的房間裡，熵非常高。」

根據計算，夸克和膠子處於最大糾纏態（即高度的「糾纏熵」）的質子，在碰撞中應產生大量分佈「雜亂」（即高度熵）的粒子。

布魯克海文實驗室和石溪大學的理論物理學家德米特里·哈爾澤夫博士表示：「對於夸克和膠子的最大糾纏態，存在一個簡單的關係式，使我們能預測高能碰撞中產生粒子的熵。」

「在論文中，我們利用實驗資料驗證了這個關係式。」

科學家們首先分析了歐洲核子研究中心大型強子對撞機上質子-質子碰撞的資料，但他們也希望研究電子-質子碰撞產生的「更純淨」資料。

物理學家整理了2006 - 2007年記錄資料中的詳細資訊，包括粒子產生和分佈的變化，以及產生這些分佈的碰撞的各種其他資訊。

當他們將HERA資料與熵的計算結果進行對比時，結果與預測完全吻合。

這些分析，包括最新的有關粒子在碰撞點不同角度分佈變化的結果，有力證明瞭質子內部的夸克和膠子處於最大糾纏態。

哈爾澤夫博士稱：「夸克和膠子之間糾纏的發現，揭示了它們強相互作用的本質。」

「這可能為解釋是什麼將夸克和膠子限制在質子內部提供更多線索，這是核物理學的核心問題之一，也將在EIC實驗中深入探究。」

「質子內部的最大糾纏是強相互作用的結果，這種作用產生了大量的夸克-反夸克對和膠子。」

該團隊的研究成果發表在《物理學進展報告》期刊上。

Martin Hentschinski等人，2024年。《量子色動力學中糾纏熵的演化》。《物理學進展報告》87卷，120501；doi: 10.1088/1361-6633/ad910b

本文基於布魯克海文國家實驗室釋出的新聞稿。