Кварки в запутанности: физики нашли «невидимую нить» между частицами

Американские физики предложили новый способ изучения одного из самых загадочных процессов в физике элементарных частиц — адронизации, когда кварки и глюоны превращаются в наблюдаемые частицы вроде пионов и протонов. Вместо традиционного анализа столкновений они применили концепцию квантовой запутанности, свойственную микромиру, где состояние одной частицы напрямую связано с другой, даже если между ними большое расстояние.

Исследование провели специалисты из Университета Стони-Брук и Национальной лаборатории Брукхейвена. Они опубликовали работу в журнале Physical Review Letters и впервые связали максимальную квантовую запутанность с механизмами формирования джетов — узких струй частиц, возникающих при столкновениях протонов на ускорителе LHC в ЦЕРН.

Уже известно, что на высоких энергиях внутри протонов кварки и глюоны находятся в состоянии максимально возможной запутанности. Это означает, что изменение состояния одного из них мгновенно влияет на другие. Учёные решили проверить, влияет ли эта запутанность на то, как рождаются и распадаются частицы в джетах.

Для этого они проанализировали экспериментальные данные коллаборации ATLAS с Большого адронного коллайдера. Авторы сопоставили данные о фрагментации — процессе, в котором элементарные частицы превращаются в адроны — с предсказаниями, полученными на основе теории максимальной запутанности.

Результаты показали удивительное совпадение: структура джетов и распределение частиц внутри них можно описать через энтропию, связанную с уровнем запутанности между кварками и глюонами. Такой подход, как утверждают исследователи, может стать новым мостом между возмущаемыми и невозмущаемыми режимами квантовой хромодинамики — теории, описывающей взаимодействие сильной ядерной силы.

Одним из долгосрочных последствий работы может стать прогресс в решении задачи цветовой конфайнмента — явления, из-за которого кварки невозможно наблюдать в одиночку. Оно остаётся одной из главных нерешённых проблем физики высоких энергий.

Следующим шагом будет изучение запутанности не только в протон-протонных столкновениях, но и в ядерных процессах. Для этого команда планирует использовать данные будущего Коллайдера электронов и ионов (EIC), где можно будет наблюдать поведение кварков и глюонов в других условиях.

Помимо этого, учёные хотят разрабатывать более точные модели, основанные на принципах квантовой информации, чтобы глубже понять механизмы рождения частиц. Это, в свою очередь, повысит точность прогнозов в будущих экспериментах по физике высоких энергий.