När en högenergifoton träffar en proton divergerar sekundära partiklar på ett sätt som indikerar att insidan av protonen är maximalt intrasslad. Ett internationellt team av fysiker med deltagande av Institutet för kärnfysik vid den polska vetenskapsakademin i Krakow har just visat att maximal intrassling finns i protonen även i de fall där pomeroner är inblandade i kollisionerna.

För arton månader sedan visades det att olika delar av protonens inre måste vara maximalt kvanttrasslade med varandra. Detta resultat, uppnått med deltagande av prof. Krzysztof Kutak från Institutet för kärnfysik vid Polska vetenskapsakademin (IFJ PAN) i Krakow och prof. Martin Hentschinski från Universidad de las Americas Puebla i Mexiko, var en konsekvens av överväganden och observationer av kollisioner av högenergifotoner med kvarkar och gluoner i protoner och stödde hypotesen som presenterades några år tidigare av professorerna Dimitri Kharzeev och Eugene Levin.

Nu, i en artikel publicerad i tidskriften Physical Review Letters , har ett internationellt team av fysiker presenterats en kompletterande analys av intrassling för kollisioner mellan fotoner och protoner där sekundära partiklar (hadroner) produceras genom en process som kallas diffraktiv djup oelastisk spridning. Huvudfrågan var:förekommer intrassling även bland kvarkar och gluoner i dessa fall, och i så fall är den också maximal?

Enkelt uttryckt talar fysiker om intrassling mellan olika kvantobjekt när värdena för någon egenskap hos dessa objekt är relaterade. Kvantförveckling observeras inte i den klassiska världen, men dess väsen förklaras lätt genom att kasta två mynt. Varje mynt har två sidor, och när det faller kan det ta ett av två ömsesidigt uteslutande värden (huvud eller svans) med samma sannolikhet.

Vi skulle ha att göra med analogen till kvantintrång om vi, när vi kastar två mynt samtidigt, alltid får antingen bara två olika resultat (huvuden och svansar) eller två identiska resultat (två huvuden eller två svansar). Här skulle intrasslingen vara maximal eftersom inget värde skulle gynnas – sannolikheten för att ett mynt skulle vara i tillståndet huvud eller svans skulle fortfarande vara 50 %. Om intrasslingen inte var maximal skulle situationen vara annorlunda.

Vi skulle inte alltid observera samma två kombinationer, men ibland också den andra.

"Inom kärnfysik kan förekomsten av ett maximalt intrasslingstillstånd ses i experimentella data när man tittar på det; vi vet att... vi vet ingenting. I vissa kollisioner av en elektron med en proton, kallad djup oelastisk spridning, protonen bryts upp fullständigt, och många partiklar som är föremål för de starka interaktionerna – så kallade hadroner – produceras då vi har att göra med ett maximalt intrasslat tillstånd av protonen när vi inte kan förutsäga hur många hadroner som kommer att skapas i en given kollision. . Kutak förklarar.

Tidigare studier av den maximala intrasslingen av protonens inre behandlade det ovan nämnda fallet, där hadroner producerades i den djupa oelastiska spridningen av en elektron och en proton. Sådana reaktioner är lätta att upptäcka i experiment eftersom de resulterar i att sekundära partiklar divergerar i praktiskt taget alla riktningar (d.v.s. de som involverar protonernas primära rörelseriktning).

"Det är dock känt att ungefär var tionde kollision sker olika:bakom kollisionspunkten, i vissa vinkelintervall, syns inga partiklar alls. Det är just sådana processer som vi kallar diffraktion eller exklusiv produktion, och de är vid centrum för vår nuvarande forskning om kvantintrassling", tillägger Prof. Kutak.

Produktionen i den djupa oelastiska processen är resultatet av interaktionen mellan en foton och partoner (kvarkar och gluoner) i en proton. I fallet med diffraktiv produktion interagerar fotonen också med en parton i protonen, men en som är en del av en större struktur som kallas en pomeron.

Det viktigaste kvantdraget hos gluoner är deras färg (som inte har något att göra med färg som vi känner den i vardagen, förutom namnet). Sekundära partiklar, som observeras i detektorer som en effekt av kollisioner, är resultatet av processer där kvarkar och gluoner i en proton byter färgladdning. Gluoner kan dock bilda bundna tillstånd som kallas pomeroner, där färgen neutraliseras ömsesidigt.

När det under en kollision mellan en foton och en parton visar sig att partonen var en del av en pomeron, kommer kollisionen inte att producera hadroner som divergerar över hela vinkelområdet som täcks av detektorerna. Istället kommer några av detektorerna, som teoretiskt kan se partiklarna som produceras under kollisionsfasen i fråga, förbli tysta.

Det internationella teamet av fysiker kunde visa att vid kollisioner med pomeroner skapas även ett tillstånd inuti protonen där alla partiklar är maximalt intrasslade. En skillnad från de tidigare analyserade fallen är dock uppenbar:när pomeroner är inblandade uppträder den maximala intrasslingen vid något högre energi.

Den nuvarande forskningen kompletterar vår tidigare kunskap om händelseförloppet vid kollisioner mellan fotoner och protoner. Tack vare det kan man nu säga att maximal intrassling är ett universellt fenomen i dessa processer, som finns i båda sekundära partikelproduktionsmekanismer som är kända för oss.

"Vårt resultat har inte bara teoretisk, utan också praktisk betydelse. En djupare förståelse av hur ett maximalt intrasslat tillstånd bildas inuti protonen kommer faktiskt att möjliggöra en bättre tolkning av resultat från framtida partikelkolliderare som Electron-Ion Collider." avslutar Prof. Kutak

Mer information: Martin Hentschinski et al, Probing the Onset of Maximal Entanglement inside the Proton in Diffractive Deep Inelastic Scattering, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.241901

Journalinformation: Fysiska granskningsbrev

Tillhandahålls av polska vetenskapsakademin