過去質(zhì)子-電子碰撞的數(shù)據(jù)為質(zhì)子的夸克海(球體)和膠子海(波浪線)之間存在糾纏提供了強(qiáng)有力的證據(jù)，這可能在它們的強(qiáng)力相互作用中發(fā)揮重要作用。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研究人員發(fā)現(xiàn)質(zhì)子內(nèi)部的夸克和膠子存在糾纏，從而重塑了人們對質(zhì)子結(jié)構(gòu)的理解。
他們利用量子信息科學(xué)，通過碰撞數(shù)據(jù)驗證了理論預(yù)測，為電子離子對撞機(jī)的研究鋪平了道路。
利用量子科學(xué)探究質(zhì)子內(nèi)部
美國能源部布魯克海文國家實驗室的科學(xué)家及其合作者開發(fā)了一種探索質(zhì)子內(nèi)部運(yùn)作的新方法。他們利用量子信息科學(xué)分析高能電子-質(zhì)子碰撞的數(shù)據(jù)，繪制出質(zhì)子內(nèi)部量子糾纏如何塑造粒子軌跡。
他們的發(fā)現(xiàn)表明，夸克和膠子(構(gòu)成質(zhì)子結(jié)構(gòu)的基本粒子)會經(jīng)歷量子糾纏。這種現(xiàn)象被愛因斯坦稱為“鬼魅般的超距作用”，即使粒子分離，它們也可以共享有關(guān)其狀態(tài)的信息，例如自旋方向。然而，在質(zhì)子中，這種糾纏發(fā)生在驚人的小尺度上(不到千萬億分之一米)，并延伸到質(zhì)子內(nèi)的整個夸克和膠子群。
繪制糾纏影響圖
該團(tuán)隊的最新論文于 12 月 2 日發(fā)表在《物理學(xué)進(jìn)展報告》(ROPP)雜志上，總結(jié)了該團(tuán)隊六年的研究成果。它精確地描繪了糾纏如何影響穩(wěn)定粒子的分布，這些穩(wěn)定粒子在碰撞中釋放的夸克和膠子聚結(jié)形成新的復(fù)合粒子后，以各種角度從粒子碰撞中出現(xiàn)。
這種關(guān)于夸克和膠子之間糾纏的新觀點為質(zhì)子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的發(fā)展圖景增添了一層復(fù)雜性。它或許還能為糾纏發(fā)揮作用的其他科學(xué)領(lǐng)域提供見解。
電子離子對撞機(jī) (EIC) 的未來實驗將揭示原子核如何影響質(zhì)子內(nèi)夸克和膠子的量子糾纏。圖片來源：蒂芙尼·鮑曼/布魯克海文國家實驗室
質(zhì)子結(jié)構(gòu)的動態(tài)系統(tǒng)
“在我們進(jìn)行這項工作之前，還沒有人通過實驗高能碰撞數(shù)據(jù)研究過質(zhì)子內(nèi)部的糾纏，”物理學(xué)家周敦明(孔)涂說道，他是該論文的共同作者，自 2018 年加入布魯克海文實驗室以來一直參與此次探索。“幾十年來，我們一直傳統(tǒng)地認(rèn)為質(zhì)子是夸克和膠子的集合，我們一直專注于理解所謂的單粒子特性，包括夸克和膠子在質(zhì)子內(nèi)部的分布情況。
“現(xiàn)在，有證據(jù)表明夸克和膠子之間存在糾纏，這一情況發(fā)生了變化。我們擁有一個更加復(fù)雜、動態(tài)的系統(tǒng)，”他說。“這篇最新論文完善了我們對糾纏如何影響質(zhì)子結(jié)構(gòu)的理解。”
繪制質(zhì)子內(nèi)部夸克和膠子之間的糾纏關(guān)系，有助于我們了解核物理中的其他復(fù)雜問題，包括作為較大原子核的一部分如何影響質(zhì)子的特性。這將是電子-離子對撞機(jī)(EIC) 未來實驗的重點之一，該核物理研究設(shè)施預(yù)計將于 2030 年代在布魯克海文實驗室開放。這些科學(xué)家正在開發(fā)的工具將為 EIC 實驗提供預(yù)測。
理論物理學(xué)家 Dmitri Kharzeev 是布魯克海文國家實驗室和石溪大學(xué)的聯(lián)合任命者，他開發(fā)了基于量子信息科學(xué)的方程式，以預(yù)測夸克和膠子之間的糾纏將如何影響電子-質(zhì)子碰撞產(chǎn)生的粒子的熵或無序性。圖片來源：Kevin Coughlin/布魯克海文國家實驗室
理解熵和粒子碰撞
在這項研究中，科學(xué)家使用了量子信息科學(xué)的語言和方程式來預(yù)測糾纏將如何影響電子-質(zhì)子碰撞產(chǎn)生的粒子流。這種碰撞是探測質(zhì)子結(jié)構(gòu)的一種常用方法，最近一次是在 1992 年至 2007 年期間在德國漢堡的強(qiáng)子-電子環(huán)加速器 (HERA) 粒子對撞機(jī)上進(jìn)行的，并計劃在未來的 EIC 實驗中使用。
這種方法于 2017 年發(fā)表，由布魯克海文實驗室和石溪大學(xué)的理論家 Dmitri Kharzeev 和特拉維夫大學(xué)的 Eugene Levin 共同開發(fā)，Dmitri Kharzeev 是該論文的合著者。這些方程預(yù)測，如果夸克和膠子糾纏在一起，那么可以從碰撞的熵或無序性中揭示出來。
“想象一下孩子凌亂的臥室，到處都是臟衣服和其他東西。在那個雜亂無章的房間里，熵非常高，”Tu 說道，并將其與他極其整潔的車庫中的低熵情況進(jìn)行了對比，車庫里的每件工具都各歸其位。
根據(jù)計算，質(zhì)子與夸克和膠子的糾纏達(dá)到最大程度——“糾纏熵”很高——應(yīng)該會產(chǎn)生大量分布“混亂”的粒子——熵值很高。
“對于夸克和膠子的最大糾纏態(tài)，有一個簡單的關(guān)系可以讓我們預(yù)測高能碰撞中產(chǎn)生的粒子的熵，”Kharzeev 說。“在我們的論文中，我們用實驗數(shù)據(jù)測試了這種關(guān)系。”
物理學(xué)家周敦明(孔)涂自 2018 年以戈德哈伯研究員身份加入布魯克海文國家實驗室以來，一直在探索質(zhì)子組成夸克和膠子之間糾纏的可能性。圖片來源：凱文·考夫林/布魯克海文國家實驗室
通過數(shù)據(jù)分析測試預(yù)測
科學(xué)家們首先分析了歐洲大型強(qiáng)子對撞機(jī)質(zhì)子-質(zhì)子碰撞的數(shù)據(jù)，但他們也想看看電子-質(zhì)子碰撞產(chǎn)生的“更干凈”的數(shù)據(jù)。由于知道 EIC 啟動還需要一段時間，Tu 加入了 HERA 實驗合作項目之一，即 H1，該項目仍有一群退休物理學(xué)家偶爾開會討論他們的實驗。
涂教授與德國電子同步加速器 ( DESY )的 H1 現(xiàn)任聯(lián)合發(fā)言人、物理學(xué)家斯蒂芬·施密特 (Stefan Schmitt) 合作了三年，挖掘舊數(shù)據(jù)。兩人從 2006-2007 年記錄的數(shù)據(jù)中整理出詳細(xì)信息，包括粒子生成和分布如何變化，以及有關(guān)產(chǎn)生這些分布的碰撞的大量其他信息。他們公布了所有數(shù)據(jù)供其他人使用。
當(dāng)物理學(xué)家將 HERA 數(shù)據(jù)與熵計算結(jié)果進(jìn)行比較時，結(jié)果與預(yù)測完全吻合。這些分析，包括最新的ROPP結(jié)果，即粒子分布如何從碰撞點的不同角度發(fā)生變化，提供了強(qiáng)有力的證據(jù)，表明質(zhì)子內(nèi)部的夸克和膠子最大程度地糾纏在一起。
這些結(jié)果和方法有助于為 EIC 未來的實驗奠定基礎(chǔ)。
強(qiáng)力相互作用和突發(fā)現(xiàn)象
哈澤夫指出，夸克和膠子之間糾纏的揭示有助于我們了解它們之間強(qiáng)力相互作用的本質(zhì)。這可能讓我們進(jìn)一步了解夸克和膠子為何被束縛在質(zhì)子內(nèi)，這是 EIC 將要探討的核物理學(xué)核心問題之一。
他說：“強(qiáng)相互作用產(chǎn)生了大量夸克-反夸克對和膠子，從而導(dǎo)致了質(zhì)子內(nèi)部最大程度的糾纏。”
強(qiáng)力相互作用(夸克之間交換一個或多個膠子)發(fā)生在單個粒子之間。這聽起來可能只是對糾纏最簡單的描述，兩個單獨(dú)的粒子無論相距多遠(yuǎn)都能相互了解。但糾纏實際上是一種信息交換，是一種系統(tǒng)范圍內(nèi)的相互作用。
哈爾澤夫說：“糾纏不僅發(fā)生在兩個粒子之間，也發(fā)生在所有粒子之間。”
復(fù)雜物理中的統(tǒng)計模型
現(xiàn)在科學(xué)家們已經(jīng)有了探索這種集體糾纏的方法，量子信息科學(xué)的工具可以使核物理和粒子物理中的一些問題更容易理解。
“粒子碰撞可能極其復(fù)雜，有許多步驟會影響結(jié)果，”Tu 說。“但這項研究表明，一些結(jié)果，比如粒子出現(xiàn)的熵，是由碰撞前質(zhì)子內(nèi)部的糾纏決定的。熵并不‘關(guān)心’所有中間步驟的復(fù)雜性。所以也許我們可以用這種方法來探索其他復(fù)雜的核物理現(xiàn)象，而不必?fù)?dān)心沿途發(fā)生的事情的細(xì)節(jié)。”
在物理學(xué)的其他領(lǐng)域甚至日常生活中，思考整個系統(tǒng)而非單個粒子的集體行為是很常見的。例如，當(dāng)你想到一壺沸水時，你并不知道每個水分子的振動運(yùn)動。沒有一個水分子會燙傷你。所有分子振動的統(tǒng)計平均值——它們的集體行為——產(chǎn)生了溫度特性，使水感覺很熱。同樣，了解一個夸克和膠子的行為并不能立即傳達(dá)質(zhì)子作為一個整體的行為。
“當(dāng)這么多粒子聚集在一起時，物理學(xué)的觀點就會發(fā)生變化，”Tu 說道，并指出量子信息科學(xué)是描述整個系統(tǒng)統(tǒng)計或突發(fā)行為的工具。“這種方法可能有助于了解粒子糾纏如何導(dǎo)致群體行為，”Tu 說道。
探測原子核中的質(zhì)子行為
現(xiàn)在科學(xué)家已經(jīng)確認(rèn)并驗證了他們的模型，他們想以新的方式使用它。例如，他們想了解原子核如何影響質(zhì)子。
“為了回答這個問題，我們不僅需要讓電子與單個質(zhì)子碰撞，還需要讓電子與原子核(EIC 的離子)碰撞，”Tu 說。“使用相同的工具來觀察嵌入原子核的質(zhì)子的糾纏將非常有幫助，以了解它如何受到核環(huán)境的影響。”
將質(zhì)子置于非常繁忙的核環(huán)境中，周圍環(huán)繞著許多其他相互作用的質(zhì)子和中子，會消除單個質(zhì)子的糾纏嗎?這種核環(huán)境會在所謂的量子退相干中發(fā)揮作用嗎?
“觀察核環(huán)境中的糾纏肯定會告訴我們更多關(guān)于這種量子行為的信息——它如何保持相干或變得退相干——并更多地了解它如何與我們試圖解決的傳統(tǒng)核和粒子物理現(xiàn)象聯(lián)系起來，”Tu說。
“核環(huán)境對質(zhì)子和中子的影響是 EIC 科學(xué)的核心，”該論文的共同作者、墨西哥普埃布拉美洲大學(xué) (UDLAP) 的馬丁·亨欽斯基 (Martin Hentschinski) 說。
波蘭科學(xué)院的共同作者克日什托夫·庫塔克補(bǔ)充道：“我們還想利用這個工具研究許多其他現(xiàn)象，以將我們對可見物質(zhì)結(jié)構(gòu)的理解推向新的前沿。”
參考文獻(xiàn)：Martin Hentschinski、Dmitri E Kharzeev、Krzysztof Kutak 和 Zhoudunming Tu 撰寫的“QCD 糾纏熵演化”，2024 年 12 月 2 日， 《物理學(xué)進(jìn)展報告》。
這項研究由美國能源部科學(xué)辦公室、歐盟“地平線 2020”研究與創(chuàng)新計劃、UDLAP Apoyos VAC 2024 和布魯克海文實驗室的實驗室指導(dǎo)研究與開發(fā)計劃資助。
