Максимальная запутанность проливает новый свет на создание частиц

Фото из открытых источников

Физики из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) и Университета Стоуни-Брук (SBU) показали, что частицы, произведенные в коллимированных распылениях, называемых струями, сохраняют информацию об их происхождении в столкновениях субатомных частиц. Исследование было опубликовано в журнале Physical Review Letters.

«Несмотря на обширные исследования, связь между начальными условиями струи и ее конечным распределением частиц осталась неуловимой», — сказал Чарльз Джозеф Наим из Центра по изучению ядерной науки (CFNS) на кафедре физики и астрономии SBU. «Это исследование впервые устанавливает прямую связь между «энтропией запутанности» на самой ранней стадии формирования струи и частицами, которые появляются по мере развития струи».

Доказательства получены из анализа струйных частиц, возникающих в результате столкновений протонов с протонами, захваченных экспериментом ATLAS на Большом адронном коллайдере, кольцевом коллайдере с окружностью 27 км, расположенном в ЦЕРНе, Европейской организации ядерных исследований. В этих мощных столкновениях отдельные строительные блоки сталкивающихся протонов, известные как кварки и глюоны, рассеиваются друг от друга и иногда выбрасываются на свободу с огромным количеством энергии. Но кварки не могут оставаться свободными долго. Они и глюоны, которые обычно удерживают их вместе, немедленно начинают разделяться и воссоединяться посредством ветвящегося процесса, называемого фрагментацией. Результатом является образование множества новых составных частиц, состоящих из пар или троек кварков — в совокупности известных как адроны — которые распыляются из столкновения скоординированным образом, то есть в виде струи.

«Мы хотели посмотреть, повлиял ли уровень запутанности между кварками и глюонами в момент первого формирования струи на распределение адронов в струе», — сказал профессор Абхай Дешпанде из SBU. 

Анализ был частично мотивирован более ранними исследованиями соавторов исследования Чжоудуньмина Ту и Дмитрия Харзеева, оба с преподавательскими должностями в SBU и назначениями в Brookhaven Lab. Их исследование, опубликованное в прошлом году, выявило связь между запутанностью между кварками и глюонами внутри протонов и общим распределением частиц, возникающих из протон-протонных и электрон-протонных столкновений. В этой работе, чем выше энтропия запутанности между кварками и глюонами, тем больше энтропия или «беспорядок» в распределении произведенных частиц.

«Это более раннее исследование показало, что существует максимальная запутанность между кварками и глюонами внутри высокоэнергетического протона», — сказал Ту. «В этой работе мы расширяем этот подход на создание струй, которые образуются из фрагментации этих кварков и глюонов. Будет ли также максимальная запутанность «внутри» этих фрагментирующихся высокоэнергетических кварков и глюонов?»

Такое состояние максимальной запутанности среди кварков и глюонов, формирующих струи, предсказывает связь между функцией фрагментации струи и энтропией, или беспорядком, адронов, выходящих из струи. Эта энтропия будет наблюдаться как большое количество различных типов адронов — в основном пионов, каонов и протонов — ударяющихся о детектор. Наоборот, такое наблюдение высокой степени беспорядка среди частиц струи и ее корреляция с первоначальными предсказаниями фрагментации будут свидетельством этой максимальной запутанности во фрагментирующих кварках и глюонах.

Когда ученые проанализировали данные протон-протонных столкновений на Большом адронном коллайдере, распределение адронов струй совпало с этим прогнозом, основанным на максимальной запутанности на самой ранней стадии формирования струи.

«Это новое исследование предлагает новый взгляд на процесс фрагментации на квантовом уровне», — сказал Харзеев.

Соавтор исследования Джейдип Датта из SBU добавил: «Это исследование прокладывает путь для дальнейшего изучения того, как квантовая запутанность влияет на формирование адронов, в том числе на готовящемся электронно-ионном коллайдере».

В EIC будут активно участвовать многие преподаватели и студенты Университета Стоуни-Брук, и он обещает беспрецедентную точность в изучении эффектов квантовой запутанности в столкновениях высоких энергий. Среди прочего, EIC будет сравнивать струи, возникающие при столкновениях электронов и протонов, со струями, возникающими при столкновениях электронов и ядер. Эти эксперименты будут исследовать, насколько далеко квантовые эффекты распространяются внутри ядер, и потенциально изменять микромир внутри протонов.