Wissenschaftler entschlüsseln die Quantenverschränkung in Protonen

Wissenschaftler am Brookhaven National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) und Mitarbeiter haben eine neue Möglichkeit gefunden, Daten von hochenergetischen Teilchenzertrümmerungen zu nutzen, um in das Innere von Protonen zu blicken. Ihr Ansatz nutzt die Quanteninformationswissenschaft, um herauszufinden, wie die Teilchenspuren, die aus Elektron-Proton-Kollisionen entstehen, durch die Quantenverschränkung im Proton beeinflusst werden.

Die Ergebnisse zeigen, dass Quarks und Gluonen, die Grundbausteine ​​der Protonenstruktur, einer sogenannten Quantenverschränkung unterliegen. Dieses skurrile Phänomen, das Albert Einstein berühmt als „gruselige Fernwirkung“ beschrieb, besagt, dass Teilchen den Zustand des anderen kennen können – zum Beispiel ihre Spinrichtung –, selbst wenn sie weit voneinander entfernt sind.

In diesem Fall erfolgt die Verschränkung über unglaublich kurze Entfernungen – weniger als ein Billiardstel Meter innerhalb einzelner Protonen – und der Informationsaustausch erstreckt sich über die gesamte Gruppe von Quarks und Gluonen in diesem Proton.

Das neueste Papier des Teams, gerade veröffentlicht In Berichte über Fortschritte in der Physikfasst die sechsjährigen Forschungsbemühungen der Gruppe zusammen. Es zeigt genau, wie sich die Verschränkung auf die Verteilung stabiler Teilchen auswirkt, die in verschiedenen Winkeln aus den Teilchenzerschmetterungen hervorgehen, nachdem die bei den Kollisionen freigesetzten Quarks und Gluonen zu diesen neuen zusammengesetzten Teilchen zusammengewachsen sind.

Diese neue Sicht auf die Verschränkung zwischen Quarks und Gluonen verleiht dem sich entwickelnden Bild der inneren Struktur von Protonen eine zusätzliche Ebene der Komplexität. Es bietet möglicherweise auch Einblicke in andere Bereiche der Wissenschaft, in denen Verschränkung eine Rolle spielt.

„Bevor wir diese Arbeit machten, hatte niemand die Verschränkung innerhalb eines Protons in experimentellen Hochenergie-Kollisionsdaten untersucht“, sagte der Physiker Zhoudunming (Kong) Tu, Co-Autor des Artikels und Mitarbeiter dieser Untersuchung, seit er zum Brookhaven Lab kam im Jahr 2018.

„Seit Jahrzehnten haben wir das Proton traditionell als eine Ansammlung von Quarks und Gluonen betrachtet und uns auf das Verständnis sogenannter Einzelteilcheneigenschaften konzentriert, einschließlich der Verteilung von Quarks und Gluonen im Proton.“

„Mit den Beweisen, dass Quarks und Gluonen miteinander verschränkt sind, hat sich dieses Bild geändert. Wir haben ein viel komplizierteres, dynamischeres System“, sagte er. „Diese neueste Arbeit verfeinert unser Verständnis darüber, wie sich Verschränkung auf die Protonenstruktur auswirkt.“

Die Kartierung der Verschränkung zwischen Quarks und Gluonen innerhalb von Protonen könnte Einblicke in andere komplexe Fragen der Kernphysik geben, einschließlich der Frage, wie sich die Zugehörigkeit zu einem größeren Kern auf die Eigenschaften von Protonen auswirkt.

Dies wird ein Schwerpunkt zukünftiger Experimente am Electron-Ion Collider (EIC) sein, einer nuklearphysikalischen Forschungseinrichtung, die voraussichtlich in den 2030er Jahren im Brookhaven Lab eröffnet wird. Die von diesen Wissenschaftlern entwickelten Werkzeuge werden Vorhersagen für EIC-Experimente ermöglichen.

Unordnung als Zeichen der Verstrickung entschlüsseln

Für diese Studie nutzten die Wissenschaftler die Sprache und Gleichungen der Quanteninformationswissenschaft, um vorherzusagen, wie sich die Verschränkung auf Teilchen aus Elektron-Proton-Kollisionen auswirken würde. Solche Kollisionen sind ein gängiger Ansatz zur Untersuchung der Protonenstruktur, zuletzt am Teilchenbeschleuniger Hadron-Electron Ring Accelerator (HERA) in Hamburg, Deutschland, von 1992 bis 2007, und sind für zukünftige EIC-Experimente geplant.

Dieser Ansatz, veröffentlicht im Jahr 2017wurde von Dmitri Kharzeev, einem Theoretiker des Brookhaven Lab und der Stony Brook University, der Mitautor des Artikels ist, und Eugene Levin von der Universität Tel Aviv entwickelt. Die Gleichungen sagen voraus, dass eine Verschränkung der Quarks und Gluonen aus der Entropie oder Unordnung der Kollision hervorgeht.

„Denken Sie an das unordentliche Schlafzimmer eines Kindes, in dem überall Wäsche und andere Dinge herumliegen. In diesem unorganisierten Raum ist die Entropie sehr hoch“, sagte Tu und verglich dies mit der Situation mit niedriger Entropie in seiner äußerst gepflegten Garage, in der sich jedes Werkzeug befindet ist an seinem Platz.

Den Berechnungen zufolge sollten Protonen mit maximal verschränkten Quarks und Gluonen – einem hohen Grad an „Verschränkungsentropie“ – viele Teilchen mit einer „unordentlichen“ Verteilung – einem hohen Grad an Entropie – erzeugen.

„Für einen maximal verschränkten Zustand von Quarks und Gluonen gibt es eine einfache Beziehung, die es uns ermöglicht, die Entropie von Teilchen vorherzusagen, die bei einer hochenergetischen Kollision entstehen“, sagte Kharzeev. „In unserer Arbeit haben wir diesen Zusammenhang anhand experimenteller Daten getestet.“

Die Wissenschaftler begannen mit Daten analysieren von Proton-Proton-Kollisionen am europäischen Large Hadron Collider, aber sie wollten sich auch die „saubereren“ Daten ansehen, die durch Elektron-Proton-Kollisionen erzeugt werden. Da er wusste, dass es eine Weile dauern würde, bis das EIC einschaltet, schloss sich Tu einer der HERA-Experimentkollaborationen an, bekannt als H1, bei der sich immer noch eine Gruppe pensionierter Physiker gelegentlich trifft, um ihr Experiment zu besprechen.

Tu arbeitete drei Jahre lang mit dem Physiker Stefan Schmitt, dem derzeitigen Co-Sprecher für H1 vom Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY), zusammen, um die alten Daten auszuwerten. Das Paar katalogisierte detaillierte Informationen aus Daten, die in den Jahren 2006–2007 aufgezeichnet wurden, einschließlich der Unterschiede in der Partikelproduktion und -verteilung sowie einer breiten Palette anderer Informationen über die Kollisionen, die diese Verteilungen erzeugten. Sie veröffentlicht alle Daten zur Nutzung durch andere.

Als die Physiker die HERA-Daten mit den Entropieberechnungen verglichen, stimmten die Ergebnisse perfekt mit den Vorhersagen überein. Diese Analysen, einschließlich der neuesten ROPP-Ergebnisse darüber, wie sich die Teilchenverteilungen in verschiedenen Winkeln vom Kollisionspunkt ändern, liefern starke Beweise dafür, dass Quarks und Gluonen in Protonen maximal verschränkt sind.

Die Ergebnisse und Methoden tragen dazu bei, den Grundstein für zukünftige Experimente am EIC zu legen.

Statistisches Verhalten und entstehende Eigenschaften

Die Entdeckung der Verschränkung zwischen Quarks und Gluonen wirft Licht auf die Natur ihrer starken Wechselwirkungen, bemerkte Kharzeev. Es könnte zusätzliche Erkenntnisse darüber liefern, was Quarks und Gluonen in Protonen einschließt, was eine der zentralen Fragen der Kernphysik ist, die am EIC untersucht wird.

„Eine maximale Verschränkung innerhalb des Protons entsteht als Folge starker Wechselwirkungen, die eine große Anzahl von Quark-Antiquark-Paaren und Gluonen erzeugen“, sagte er.

Zwischen einzelnen Teilchen finden starke Wechselwirkungen statt – der Austausch eines oder mehrerer Gluonen zwischen Quarks. Das klingt vielleicht nach der einfachsten Beschreibung einer Verschränkung, bei der zwei einzelne Teilchen voneinander wissen können, egal wie weit sie voneinander entfernt sind. Aber die Verschränkung, bei der es sich eigentlich um einen Informationsaustausch handelt, ist eine systemweite Interaktion.

„Verschränkung findet nicht nur zwischen zwei Teilchen statt, sondern zwischen allen Teilchen“, sagte Kharzeev.

Da Wissenschaftler nun eine Möglichkeit haben, diese kollektive Verflechtung zu erforschen, könnten die Werkzeuge der Quanteninformationswissenschaft einige Probleme der Kern- und Teilchenphysik leichter verständlich machen.

„Partikelkollisionen können äußerst komplex sein und viele Schritte umfassen, die das Ergebnis beeinflussen“, sagte Tu. „Aber diese Studie zeigt, dass einige Ergebnisse, wie die Entropie der austretenden Teilchen, durch die Verschränkung innerhalb der Protonen vor ihrer Kollision bestimmt werden.“

„Der Entropie ist die Komplexität aller Zwischenschritte egal. Vielleicht können wir diesen Ansatz also nutzen, um andere komplexe Phänomene der Kernphysik zu erforschen, ohne uns um die Details dessen zu kümmern, was auf dem Weg passiert.“

In anderen Bereichen der Physik und sogar im Alltag wird häufig über das kollektive Verhalten eines gesamten Systems und nicht über einzelne Teilchen nachgedacht. Wenn Sie beispielsweise an einen Topf mit kochendem Wasser denken, wissen Sie nicht wirklich, welche Schwingungsbewegung jedes einzelne Wassermolekül hat. Kein einzelnes Wassermolekül kann Sie verbrennen.

Es ist der statistische Durchschnitt aller schwingenden Moleküle – ihr kollektives kombiniertes Verhalten –, das die Temperatureigenschaft hervorruft und dafür sorgt, dass sich das Wasser heiß anfühlt. In ähnlicher Weise vermittelt das Verständnis, wie sich ein Quark und ein Gluon verhalten, nicht sofort, wie sich ein Proton als Ganzes verhält.

„Die physikalische Perspektive ändert sich, wenn man so viele Teilchen zusammen hat“, sagte Tu und bemerkte, dass die Quanteninformationswissenschaft ein Werkzeug sei, um das statistische oder entstehende Verhalten des gesamten Systems zu beschreiben. „Dieser Ansatz könnte Aufschluss darüber geben, wie die Verschränkung der Partikel zum Gruppenverhalten führt“, sagte Tu.

Das Modell zum Einsatz bringen

Nachdem die Wissenschaftler ihr Modell nun bestätigt und validiert haben, wollen sie es auf neue Weise nutzen. Sie wollen zum Beispiel erfahren, wie sich der Aufenthalt in einem Atomkern auf das Proton auswirkt.

„Um diese Frage zu beantworten, müssen wir Elektronen nicht nur mit einzelnen Protonen, sondern auch mit Kernen – den Ionen des EIC – kollidieren lassen“, sagte Tu. „Es wird sehr hilfreich sein, die gleichen Werkzeuge zu verwenden, um die Verschränkung in einem in einem Kern eingebetteten Proton zu sehen – um zu lernen, wie es von der nuklearen Umgebung beeinflusst wird.“

Wird die Verschränkung des einzelnen Protons ausgewaschen, wenn man ein Proton in die sehr geschäftige nukleare Umgebung bringt, die von vielen anderen interagierenden Protonen und Neutronen umgeben ist? Könnte diese nukleare Umgebung eine Rolle bei der sogenannten Quantendekohärenz spielen?

„Die Betrachtung der Verschränkung in der nuklearen Umgebung wird uns definitiv mehr über dieses Quantenverhalten verraten – wie es kohärent bleibt oder dekohärent wird – und mehr darüber erfahren, wie es mit den traditionellen Phänomenen der Kern- und Teilchenphysik zusammenhängt, die wir zu lösen versuchen“, sagte Tu sagte.

„Der Einfluss der nuklearen Umgebung auf Protonen und Neutronen steht im Mittelpunkt der EIC-Wissenschaft“, sagte Martin Hentschinski, Mitautor des Papiers von der Universidad de las Américas Puebla (UDLAP) in Mexiko.

Co-Autor Krzysztof Kutak von der Polnischen Akademie der Wissenschaften fügte hinzu: „Es gibt viele andere Phänomene, die wir mit diesem Tool untersuchen möchten, um unser Verständnis der Struktur sichtbarer Materie auf ein neues Niveau zu heben.“