นักฟิสิกส์จัดทำแผนผังการพัวพันควอนตัมในโปรตอน

นักฟิสิกส์ได้ค้นพบวิธีใหม่ในการใช้ข้อมูลจากการรวมตัวของอนุภาคพลังงานสูงเพื่อดูภายในโปรตอน วิธีการของพวกเขาใช้วิทยาศาสตร์ข้อมูลควอนตัมเพื่อระบุวิธีที่การติดตามอนุภาคที่สตรีมมิ่งจากการชนกันของอิเล็กตรอนและโปรตอนได้รับอิทธิพลจากการพัวพันของควอนตัมภายในโปรตอน ผลการวิจัยพบว่าควาร์กและกลูออนซึ่งเป็นส่วนประกอบพื้นฐานที่ประกอบเป็นโครงสร้างของโปรตอน อยู่ภายใต้สิ่งที่เรียกว่าการพันกันของควอนตัม

“ก่อนที่เราจะทำงานนี้ ไม่มีใครเคยดูการพันกันภายในโปรตอนในข้อมูลการชนกันของพลังงานสูงจากการทดลอง” Zhoudunming (Kong) Tu นักฟิสิกส์ของ Brookhaven Lab กล่าว

“เป็นเวลาหลายทศวรรษแล้วที่เรามีมุมมองดั้งเดิมว่าโปรตอนเป็นกลุ่มของควาร์กและกลูออน และเรามุ่งเน้นไปที่การทำความเข้าใจสิ่งที่เรียกว่าคุณสมบัติของอนุภาคเดี่ยว รวมถึงวิธีการกระจายควาร์กและกลูออนภายในโปรตอน”

“ตอนนี้ ด้วยหลักฐานที่แสดงว่าควาร์กและกลูออนพันกัน ภาพนี้จึงเปลี่ยนไป เรามีระบบที่ซับซ้อนและไดนามิกมากขึ้น”

"เอกสารล่าสุดนี้ช่วยขัดเกลาความเข้าใจของเราว่าสิ่งกีดขวางส่งผลต่อโครงสร้างโปรตอนอย่างไร"

“การระบุความสัมพันธ์ระหว่างควาร์กและกลูออนในโปรตอนสามารถให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับคำถามที่ซับซ้อนอื่นๆ ในฟิสิกส์นิวเคลียร์ รวมถึงการเป็นส่วนหนึ่งของนิวเคลียสที่ใหญ่กว่าส่งผลต่อคุณสมบัติของโปรตอนอย่างไร”

“นี่จะเป็นจุดสนใจประการหนึ่งของการทดลองในอนาคตที่เครื่องชนอิเล็กตรอน-ไอออน (EIC) ซึ่งเป็นศูนย์วิจัยฟิสิกส์นิวเคลียร์ที่คาดว่าจะเปิดที่ Brookhaven Lab ในช่วงปี 2030”

ในการศึกษานี้ ดร. ตู่และเพื่อนร่วมงานใช้ภาษาและสมการของวิทยาการสารสนเทศควอนตัมเพื่อทำนายว่าความพัวพันจะส่งผลต่ออนุภาคที่ไหลจากการชนกันของอิเล็กตรอนและโปรตอนอย่างไร

การชนดังกล่าวเป็นแนวทางทั่วไปในการตรวจสอบโครงสร้างโปรตอน ล่าสุดที่เครื่องชนอนุภาคแฮดรอน-อิเล็กตรอนริงแอคเซเลเรเตอร์ (HERA) ในเมืองฮัมบูร์ก ประเทศเยอรมนี ตั้งแต่ปี 1992 ถึง 2007 และมีการวางแผนสำหรับการทดลอง EIC ในอนาคต

สมการทำนายว่าหากควาร์กและกลูออนพันกัน สิ่งนั้นสามารถเปิดเผยได้จากเอนโทรปีหรือความผิดปกติของการชนกัน

“ลองนึกถึงห้องนอนที่รกของเด็กๆ ที่มีอุปกรณ์ซักรีดและของอื่นๆ อยู่เต็มไปหมด ในห้องที่ไม่เป็นระเบียบนั้น เอนโทรปีจะสูงมาก” ดร.ตู่กล่าว

ตามการคำนวณ โปรตอนที่มีควาร์กและกลูออนพันกันมากที่สุดซึ่งมี 'เอนโทรปีพัวพัน' ในระดับสูง ควรสร้างอนุภาคจำนวนมากที่มีการกระจายตัวที่ 'ยุ่งเหยิง' ซึ่งเป็นเอนโทรปีในระดับสูง

“สำหรับสถานะของควาร์กและกลูออนที่พัวพันกันมากที่สุด มีความสัมพันธ์ง่ายๆ ที่ช่วยให้เราสามารถทำนายเอนโทรปีของอนุภาคที่เกิดจากการชนกันของพลังงานสูง” ดร. Dmitri Kharzeev นักทฤษฎีที่เกี่ยวข้องกับทั้ง Brookhaven Lab และ Stony Brook University กล่าว .

“ในรายงานของเรา เราได้ทดสอบความสัมพันธ์นี้โดยใช้ข้อมูลการทดลอง”

นักวิทยาศาสตร์เริ่มต้นด้วยการวิเคราะห์ข้อมูลจากการชนของโปรตอน-โปรตอนที่เครื่องชนอนุภาคแฮดรอนขนาดใหญ่ของ CERN แต่พวกเขายังต้องการดูข้อมูลที่ 'สะอาดกว่า' ที่เกิดจากการชนกันของอิเล็กตรอนและโปรตอนด้วย

นักฟิสิกส์ได้จัดทำรายการข้อมูลโดยละเอียดจากข้อมูลที่บันทึกไว้ในปี พ.ศ. 2549-2550 รวมถึงการเปลี่ยนแปลงของการผลิตและการกระจายตัวของอนุภาค และข้อมูลอื่นๆ มากมายเกี่ยวกับการชนที่ทำให้เกิดการแจกแจงเหล่านี้

เมื่อเปรียบเทียบข้อมูล HERA กับการคำนวณเอนโทรปี ผลลัพธ์ก็ตรงกับการคาดการณ์อย่างสมบูรณ์

การวิเคราะห์เหล่านี้ รวมถึงผลลัพธ์ล่าสุดว่าการกระจายตัวของอนุภาคเปลี่ยนแปลงไปอย่างไรในมุมต่างๆ จากจุดที่ชนกัน ให้หลักฐานที่ชัดเจนว่าควาร์กและกลูออนในโปรตอนพันกันมากที่สุด

“การเปิดเผยการพัวพันระหว่างควาร์กและกลูออนทำให้กระจ่างถึงธรรมชาติของปฏิกิริยาอันตรกิริยาที่มีกำลังสูงของพวกมัน” ดร.คาร์ซีฟกล่าว

“มันอาจจะให้ข้อมูลเชิงลึกเพิ่มเติมเกี่ยวกับสิ่งที่ทำให้ควาร์กและกลูออนถูกจำกัดอยู่ภายในโปรตอน ซึ่งเป็นหนึ่งในคำถามสำคัญในฟิสิกส์นิวเคลียร์ที่จะมีการสำรวจที่ EIC”

“ความพัวพันภายในโปรตอนสูงสุดเกิดขึ้นจากปฏิกิริยาอันรุนแรงที่ก่อให้เกิดคู่ควาร์ก-แอนติควาร์กและกลูออนจำนวนมาก”

ของทีมงานปรากฏในวารสารรายงานความก้าวหน้าทางฟิสิกส์-

-

มาร์ติน เฮนท์ชินสกี้และคณะ- 2024. วิวัฒนาการ QCD ของเอนโทรปีพัวพัน.ตัวแทนโครงการ ฟิสิกส์87, 120501; สอง: 10.1088/1361-6633/ad910b

บทความนี้มีพื้นฐานมาจากข่าวประชาสัมพันธ์ที่จัดทำโดย Brookhaven National Laboratory