פיזיקאים מצאו דרך חדשה להשתמש בנתונים מפיצוץ חלקיקים עתירי אנרגיה כדי להציץ בתוך פרוטונים. הגישה שלהם משתמשת במדע מידע קוונטי כדי למפות כיצד מסלולי חלקיקים הזורמים מהתנגשויות אלקטרונים-פרוטון מושפעים מהסתבכות קוונטית בתוך הפרוטון. התוצאות מגלות שקווארקים וגלואונים, אבני הבניין הבסיסיות המרכיבות את מבנה הפרוטון, נתונים למה שנקרא הסתבכות קוונטית.
נתונים מהתנגשויות של פרוטון-אלקטרונים בעבר מספקים עדות חזקה להסתבכות בין ים הקווארקים (כדורים) והגלואונים (סקוויגלים) של הפרוטון, שעשויים למלא תפקיד חשוב באינטראקציות הכוח החזק ביניהם. קרדיט תמונה: ולרי לנץ / ברוקהייבן הלאומית.
"לפני שעשינו את העבודה הזו, אף אחד לא הסתכל על הסתבכות בתוך פרוטון בנתוני התנגשות ניסיוניים באנרגיה גבוהה", אמר הפיזיקאי ברוקהייבן, ז'ודונמינג (קונג) טו.
"במשך עשרות שנים הייתה לנו תפיסה מסורתית של הפרוטון כאוסף של קווארקים וגלואונים והתמקדנו בהבנת מה שנקרא מאפיינים של חלקיקים בודדים, כולל איך קווארקים וגלואונים מופצים בתוך הפרוטון."
"עכשיו, עם ראיות לכך שקווארקים וגלואונים מסתבכים, התמונה הזו השתנתה. יש לנו מערכת הרבה יותר מסובכת ודינאמית".
"המאמר האחרון הזה מחדד את ההבנה שלנו כיצד ההסתבכות משפיעה על מבנה הפרוטונים."
"מיפוי ההסתבכות בין קווארקים וגלואונים בתוך פרוטונים יכול להציע תובנה לגבי שאלות מורכבות אחרות בפיזיקה גרעינית, כולל איך היותו חלק מגרעין גדול יותר משפיע על תכונות הפרוטונים."
"זה יהיה מוקד אחד של ניסויים עתידיים במאיץ האלקטרון-יון (EIC), מתקן מחקר לפיזיקה גרעינית שצפוי להיפתח במעבדת ברוקהייבן בשנות ה-30".
לצורך המחקר, ד"ר טו ועמיתיו השתמשו בשפה ובמשוואות של מדע המידע הקוונטי כדי לחזות כיצד ההסתבכות צריכה להשפיע על חלקיקים הזורמים מהתנגשויות אלקטרונים-פרוטונים.
התנגשויות כאלה הן גישה נפוצה לבדיקת מבנה פרוטונים, לאחרונה במאיץ החלקיקים האדרון-אלקטרון טבעת (HERA) בהמבורג, גרמניה, מ-1992 עד 2007, ומתוכננות לניסויי EIC עתידיים.
המשוואות מנבאות שאם הקווארקים והגלואונים מסתבכים, זה יכול להתגלות מהאנטרופיה של ההתנגשות, או אי-סדר.
"תחשוב על חדר שינה מבולגן של ילד, עם כביסה ודברים אחרים בכל מקום. בחדר הלא מאורגן הזה, האנטרופיה גבוהה מאוד", אמר ד"ר טו.
לפי החישובים, פרוטונים עם קווארקים וגלואונים מסובכים בצורה מקסימלית - רמה גבוהה של 'אנטרופיית הסתבכות' - אמורים לייצר הרבה חלקיקים עם התפלגות 'מבולגנת' - רמה גבוהה של אנטרופיה.
"למצב סבוך מקסימלי של קווארקים וגלואונים, יש קשר פשוט המאפשר לנו לחזות את האנטרופיה של חלקיקים שנוצרו בהתנגשות באנרגיה גבוהה", אמר ד"ר דמיטרי חרזייב, תיאורטיקן המזוהה עם מעבדת ברוקהייבן ואוניברסיטת סטוני ברוק. .
"במאמר שלנו, בדקנו את הקשר הזה באמצעות נתונים ניסיוניים."
המדענים התחילו בניתוח נתונים מהתנגשויות פרוטון-פרוטונים במאיץ ההדרונים הגדול של CERN, אך הם גם רצו לבחון את הנתונים ה'נקיים' יותר שנוצרו מהתנגשויות אלקטרונים-פרוטונים.
הפיזיקאים קיטלגו מידע מפורט מנתונים שתועדו בשנים 2016-2007, כולל כיצד הייצור והתפלגות החלקיקים השתנו ומגוון רחב של מידע אחר על ההתנגשויות שיצרו התפלגויות אלו.
כאשר השוו את נתוני ה-HERA עם חישובי האנטרופיה, התוצאות תאמו את התחזיות בצורה מושלמת.
ניתוחים אלה, כולל התוצאות העדכניות ביותר על האופן שבו התפלגות החלקיקים משתנות בזוויות שונות מנקודת ההתנגשות, מספקות עדות חזקה לכך שקווארקים וגלואונים בתוך פרוטונים מסתבכים בצורה מקסימלית.
"גילוי ההסתבכות בין קווארקים וגלואונים שופך אור על אופי האינטראקציות שלהם בכוח חזק", אמר ד"ר חרזייב.
"זה עשוי להציע תובנה נוספת לגבי מה שמחזיק קווארקים וגלואונים מוגבלים בתוך פרוטונים, שזו אחת השאלות המרכזיות בפיזיקה גרעינית שתיחקר ב-EIC."
"הסתבכות מרבית בתוך הפרוטון מופיעה כתוצאה מאינטראקציות חזקות המייצרות מספר רב של זוגות קווארק-אנטיקווארק וגלואונים."
של הצוותעֲבוֹדָהמופיע ביומןדוחות על התקדמות בפיזיקה.
_____
מרטין הנצ'ינסקיet al. 2024. אבולוציה של QCD של אנטרופית הסתבכות.נציג פרוג. פיזי87, 120501; שניים: 10.1088/1361-6633/ad910b
מאמר זה מבוסס על הודעה לעיתונות שסופקה על ידי Brookhaven National Laboratory.
