‘Acción aterradora’ a distancias muy cortas: los científicos mapean el entrelazamiento cuántico en protones

Los resultados muestran que los quarks y gluones, los componentes fundamentales que forman la estructura de los protones, están sujetos al llamado entrelazamiento cuántico. Este curioso fenómeno, que Albert Einstein describió como el “proceso espeluznante a distancia”, permite que las partículas conozcan los estados de las demás (por ejemplo, la dirección de su giro), incluso cuando están separadas por una distancia considerable. En este caso, el entrelazamiento se produce en distancias increíblemente cortas (menos de un cuarto de metro dentro de un protón individual) y la información es compartida por todo el grupo de quarks y gluones de ese protón.

El último artículo del equipo, recién publicado en la revista. Informes de Progreso en Física (ROPP)resume los esfuerzos de investigación de seis años del grupo. Mapea claramente cómo el entrelazamiento afecta la distribución de partículas estables que emergen en diferentes ángulos del choque de partículas después de que quarks y gluones colisionan para formar estas nuevas partículas compuestas.

Esta nueva teoría del entrelazamiento entre quarks y gluones añade una capa de complejidad a la imagen emergente de la estructura interna del protón. También puede ofrecer información sobre otras áreas de la ciencia donde la confusión desempeña un papel.

“Antes de que hiciéramos esto, nadie había analizado el entrelazamiento dentro de los protones en datos experimentales de colisiones de alta energía”, dijo el físico Zoden Ming (Kang) Tu, quien dirigió el estudio en el laboratorio de Brookhaven desde que se unió y es coautor de este. estudiar. En 2018 “Durante décadas, hemos tenido la visión tradicional de los protones como una colección de quarks y gluones, y nos hemos centrado en comprender las propiedades de las llamadas partículas individuales, incluida cómo se distribuyen los quarks y gluones dentro de los protones.

“Ahora, con la evidencia de que los quarks y los gluones están entrelazados, este panorama ha cambiado. Tenemos un sistema dinámico mucho más complejo”, dijo. “Este último artículo mejora nuestra comprensión de cómo el entrelazamiento afecta la estructura de los protones”.

Mapear el entrelazamiento entre quarks y gluones dentro de un protón puede ofrecer información sobre otras cuestiones complejas de la física nuclear, incluida la forma en que ser parte de un núcleo más grande afecta las propiedades del protón. Será un centro para futuros experimentos en el Colisionador de Iones y Electrones (EIC), una instalación de investigación de física nuclear cuya inauguración está prevista en el Laboratorio Brookhaven en la década de 2030. Las herramientas que estos científicos están desarrollando permitirán realizar predicciones para los experimentos del EIC.

Entender la suciedad como un signo de confusión

Para este estudio, los científicos utilizaron el lenguaje y las ecuaciones de la ciencia de la información cuántica para predecir cómo las partículas de las colisiones electrón-protón deberían verse afectadas por el entrelazamiento. Este tipo de colisiones son un enfoque común para sondear estructuras de protones, más recientemente en el colisionador de partículas del Acelerador de anillos de electrones y hadrones (HERA) en Hamburgo, Alemania, de 1992 a 2007, y ya se han planificado experimentos futuros del EIC.

El enfoque, publicado en 2017, fue desarrollado por Dimitri Kharzeev, teórico del Brookhaven Lab y de la Universidad Stony Brook, coautor del artículo, y Eugene Levine de la Universidad de Tel Aviv. Las ecuaciones predicen que si los quarks y los gluones se entrelazan, esto puede reflejarse en la entropía o desorden de colisión.

“Piense en el dormitorio desordenado de un niño, con ropa sucia y otras cosas por todas partes. En esa habitación desorganizada, la entropía es alta”, dice Tue, contrastándola con la situación de baja entropía de su garaje súper limpio, donde cada herramienta tiene su suya. lugar.

Según los cálculos, los protones con más quarks y gluones entrelazados (un mayor grado de “entropía de entrelazamiento”) deberían producir más partículas con una distribución “desordenada”: un mayor grado de entropía.

“Para el estado máximamente entrelazado de quarks y gluones, existe una relación simple que nos permite predecir la entropía de las partículas producidas en colisiones de alta energía”, dijo Kharzeev. “En nuestro artículo, probamos esta relación utilizando datos experimentales”.

Los científicos comenzaron analizando datos de colisiones protón-protón en el Gran Colisionador de Hadrones de Europa, pero también querían observar datos “más limpios” de colisiones electrón-protón. Sabiendo que el EIC tardaría algún tiempo en encenderse, Tu se unió a una de las colaboraciones experimentales de HERA, conocida como H1, que todavía cuenta con físicos jubilados para discutir sus experimentos y se reúne ocasionalmente.

Tu trabajó con el físico Stefan Schmitt, actual cointérprete de H1 en Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), durante tres años para examinar los datos antiguos. La pareja catalogó información detallada de los datos registrados en 2006-2007, incluyendo cómo variaba la producción y distribución de partículas y una amplia gama de otra información sobre las colisiones que ocurrieron crearon estas divisiones. Publicaron todos los datos para que otros los usaran.

Cuando los físicos compararon los datos de HERA para calcular la entropía, los resultados coincidieron exactamente con las predicciones. Estas revisiones, incluidas las más recientes Rudeza Los resultados de cómo cambia la distribución de partículas en diferentes ángulos desde el lugar de la colisión proporcionan una fuerte evidencia de que los quarks y gluones están cada vez más entrelazados dentro del protón.

Los hallazgos y métodos ayudan a sentar las bases para futuros experimentos en EIC.

Comportamiento estadístico y propiedades emergentes.

El descubrimiento del entrelazamiento entre quarks y gluones arroja luz sobre la naturaleza de su interacción de fuerza fuerte, señaló Khwarazev. Esto podría ofrecer información adicional sobre qué mantiene a los quarks y gluones confinados dentro de los protones, una de las cuestiones centrales de la física nuclear que se explorará en el EIC.

“El entrelazamiento máximo dentro del protón surge como resultado de la fuerte interacción que crea una gran cantidad de pares quark-antiquark y gluones”, dijo.

Entre partículas individuales se producen fuertes interacciones de fuerza (el intercambio de uno o más gluones entre quarks). Esta puede parecer la explicación más simple del entrelazamiento, donde dos partículas individuales pueden aprender una de otra sin importar qué tan lejos estén unas de otras. Pero el entrelazamiento, que en realidad es un intercambio de información, es una interacción que abarca todo el sistema.

“El entrelazamiento no ocurre sólo entre dos partículas, sino entre todas las partículas”, dijo Khwarzef.

Ahora que los científicos tienen una manera de explorar este entrelazamiento colectivo, las herramientas de la ciencia de la información cuántica pueden hacer que algunos problemas de la física nuclear y de partículas sean más fáciles de entender.

“Las colisiones de partículas pueden ser extremadamente complejas, con muchos pasos que afectan el resultado”, dijo Tu. “Pero este estudio muestra que algunos resultados, como la entropía de las partículas emergentes, están determinados por los protones que quedan atrapados dentro de ellas antes de que colisionen. A la entropía no le ‘importa’ la complejidad de todos los pasos intermedios. Así que tal vez podamos Utilice este enfoque para explorar otros fenómenos complejos de la física nuclear sin preocuparse por los detalles de lo que sucede en el camino”.

Pensar en el comportamiento colectivo de sistemas completos en lugar de en partículas individuales es común en otros campos de la física e incluso en la vida cotidiana. Por ejemplo, cuando piensas en una olla con agua hirviendo, no conoces realmente el movimiento vibratorio de cada molécula de agua. Una sola molécula de agua no puede quemarte. Es el promedio estadístico de todas las moléculas vibrantes (su comportamiento colectivo) lo que da lugar a la propiedad de temperatura y hace que el agua se sienta caliente. De manera similar, comprender cómo se comportan un quark y un gluón no explica inmediatamente cómo se comporta un protón en su conjunto.

“El enfoque de la física cambia cuando se tienen muchas partículas juntas”, dijo Tu, señalando que la ciencia de la información cuántica es una herramienta para describir el comportamiento estadístico o emergente de sistemas completos. “Este enfoque puede ofrecer información sobre cómo el entrelazamiento de partículas conduce al comportamiento grupal”, dijo Tu.

Insertando el modelo a usar

Ahora que los científicos han confirmado y validado su modelo, quieren utilizarlo de nuevas maneras. Por ejemplo, quieren saber cómo se ve afectado el hecho de que los protones estén en el núcleo.

“Para responder a esta pregunta, necesitamos hacer que los electrones colisionen no sólo con los protones individuales sino también con los núcleos, los iones del EIC”, dijo Tu. “Sería muy útil utilizar las mismas herramientas para observar el entrelazamiento de un protón incrustado en un núcleo, para ver cómo se ve afectado por el entorno nuclear”.

¿Poner un protón en un entorno nuclear muy activo rodeado de muchos otros protones y neutrones eliminaría el entrelazamiento de protones individuales? ¿Podría este entorno nuclear desempeñar un papel en la llamada decoherencia cuántica?

“Observar el entrelazamiento en el entorno nuclear ciertamente nos dirá más sobre este comportamiento cuántico (cómo se mantiene coherente o se vuelve incoherente) y aprenderá más sobre cómo afecta a la física nuclear y de partículas tradicional. “¿Cómo se conecta eso con los fenómenos que conocemos? estamos tratando de resolver”, dijo Tu.

“El efecto del entorno nuclear sobre los protones y neutrones está en el centro de la ciencia del EIC”, dijo el coautor del artículo Martin Henchinski de la Universidad de las Américas Puebla (UDLAP) en México.

“Hay muchos otros fenómenos que queremos estudiar con esta herramienta para llevar nuestra comprensión de la estructura de la materia visible a nuevas fronteras”, añade el coautor Krzysztof Kotyk, de la Academia de Ciencias de Polonia.

Esta investigación fue financiada por la Oficina de Ciencia del DOE, el Programa de Investigación e Innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea, UDLAP Apoyos VAC 2024 y el Programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio de Brookhaven Lab.