物理学家发现质子内部隐藏的量子世界——大大超过我们的想象
物理学家发现质子内部隐藏的量子世界——大大超过我们的想象
最新研究揭示，质子内部的结构远比我们想象的更为复杂和神秘。科学家们利用量子纠缠的概念，成功解释了质子内部夸克和胶子的相互作用，并通过实验数据验证了这一理论。这一突破性发现不仅深化了我们对核物理学的理解，也为未来的研究开辟了新的方向。
（图片说明：在与质子发生深度非弹性碰撞时，相对论电子（蓝色突出）可以发射一个高能光子（这里是紫色），穿透质子的内部，在那里它只能看到纠缠的夸克、胶子和虚拟粒子的一小部分。激发的质子随后在次级粒子的级联中衰变。）
科学家利用纠缠建立了一个通用模型，解释了粒子如何从高能碰撞中出现。他们的预测与过去的实验数据一致，未来的碰撞机将对他们的理论进行最终测试，可能会重塑我们对核物理学的理解。
窥探质子内部
质子的内部是物理学中最动态但最难以捉摸的领域之一。在这个微小粒子中，夸克和胶子在一个不断变化的虚拟粒子海洋中相互作用。现在，利用量子信息论和量子纠缠的概念，科学家们已经开发了一个新的框架，以前所未有的清晰度来描述这些相互作用。
这种方法首次成功地解释了所有可用实验的数据，这些实验涉及在电子和质子之间的深度非弹性碰撞中次级粒子的散射。这一突破性的发现来自一个由来自布鲁克黑文国家实验室（BNL）和纽约州立大学石溪分校（SBU）的理论家组成的国际团队，以及墨西哥的普埃布拉美洲大学（UDLAP）和克拉科夫的波兰科学院核物理研究所（IFJ PAN）。
如何研究质子的内部？
Krzysztof Kutak 教授（IFJ PAN）在他发表在物理进展报告上的文章中描述：如果我们想了解质子内部发生的现象，我们首先必须设法到达那里。目前，质子和电子之间的碰撞是实现这一目标的最佳方式，因为后者不仅体积比质子小得多，最重要的是，它们是基本粒子，所以我们可以保证它们本身不会衰变为其他物质。
夸克和胶子的海洋
研究发现质子不是一个基本粒子。用最简单的术语来说，它被假定由三个价态夸克（两个向上，一个向下）通过胶子（即携带强大相互作用的粒子）“粘在一起”组成。这些相互作用如此强大，以至于在质子内部，虚拟夸克和反夸克（质量甚至和魅力一样大）以及虚拟胶子对（这是可能的，因为这些粒子彼此是反粒子）不断出现和消失。
质子中的量子纠缠
在这项研究中，关键假设是，尽管质子体积极小，但构成质子的夸克和胶子（统称为部分子）是量子纠缠的。当一个物体的特征值对另一个物体的变化做出反应时，我们称之为量子物体之间的纠缠，尽管关于变化的信息还没有时间通过任何通过空间传输的载体在它们之间传输。
在质子内部，纠缠发生在难以想象的四分之一米或更小的距离，这是一个集体特征。正如他们在早期论文中所展示的，它影响的不是少数，而是质子的所有部分。”
高能碰撞的作用
当一个电子试图探索一个质子内部的最大纠缠时，两个粒子之间会发生电磁相互作用，其载体是一个光子。在深度非弹性碰撞中，交换光子的能量非常高，以至于相关的电磁波开始“适合”在质子内，并“看到”其内部结构的细节。
由于与光子相互作用的结果，质子可以衰变产生许多次级粒子。纠缠在这里表现在，从光子“注意到”的质子部分发射的次级粒子数量将决定作为观测强子产生的粒子数量。
用熵测量纠缠
这就是研究人员如何得出熵的概念，这在高度复杂系统和量子信息研究中尤为重要。如果由于深度非弹性碰撞，他们能够获取质子中的全部纠缠信息，他们称之为零纠缠熵。
然而，穿透质子内部的光子只能“看到”质子内部的部分，其余部分仍然隐藏在光子内部——这意味着纠缠熵不是零。因此，他们可以方便地测量质子内部的纠缠量。
实验验证与数据分析
在该论文中，国际物理学家团队证明，基于纠缠熵，在电子-质子碰撞中产生的强子熵可以被预测。因此，质子中夸克和胶子的最大纠缠表现为无法确定在特定碰撞中会产生多少粒子。这些预测现在已经在2006-2007年在HERA粒子加速器上的H1实验中进行了验证，该实验位于DESY汉堡中心，其中单个质子与正电子（电子的反粒子）相撞。
研究人员研究质子内部纠缠已经有几年了。虽然他们通过面对特定测量会议的测量来验证之前的理论工作，但现在已经成功地在一个通用的形式主义中描述了所有实验深度非弹性散射熵数据。
未来的对撞机和新发现
参与该项目的物理学家团队预计，广义形式主义将使未来对撞机（如电子-离子对撞机）的测量更容易和更准确地解释，该对撞机将于今后十年初在布鲁克海文实验室启动。在这里，电子不仅会与单个质子发生碰撞，还会与离子发生碰碰撞。结合新的实验数据，所提出的理论方法应有助于解决现代核物理学中的重要问题。
通过研究纠缠熵，人们将能够更好地理解强相互作用如何结合质子中的夸克和胶子，这可能回答属于更大原子核如何影响单个质子的性质的问题。