رازهای عجیب در فاصله‌ای کوتاه: کشف درهم‌تنیدگی کوانتومی پروتون‌ها

تحقیقات جدید در مورد ساختار پروتون‌ها با استفاده از علم اطلاعات کوانتومی

دانشمندان در آزمایشگاه ملی بروکهاون وابسته به وزارت انرژی ایالات متحده و همکارانشان، روش جدیدی برای استفاده از داده‌های حاصل از برخوردهای ذرات با انرژی بالا برای بررسی درون پروتون‌ها ارائه داده‌اند. این روش از علم اطلاعات کوانتومی بهره می‌برد تا تأثیر درهم‌تنیدگی کوانتومی بر مسیرهای ذراتی که از برخوردهای الکترون-پروتون ناشی می‌شوند، نقشه‌برداری کند.

نتایج این تحقیق نشان می‌دهد که کوارک‌ها و گلوئون‌ها، که اجزای بنیادی ساختار پروتون را تشکیل می‌دهند، تحت تأثیر آنچه به عنوان درهم‌تنیدگی کوانتومی شناخته می‌شود، قرار دارند. این پدیده عجیب، که آلبرت اینشتین آن را به عنوان “عملکرد مرموز در فاصله” توصیف کرده است، بیان می‌کند که ذرات می‌توانند از وضعیت یکدیگر آگاه باشند. به عنوان مثال، جهت چرخش آن‌ها، حتی زمانی که فاصله زیادی بین آن‌ها وجود دارد. در این مورد، درهم‌تنیدگی در فواصل بسیار کوتاه، کمتر از یک کوادریلیونیم متر درون پروتون‌های فردی، رخ می‌دهد و اشتراک اطلاعات بین تمام کوارک‌ها و گلوئون‌ها در آن پروتون گسترش می‌یابد.

خلاصه‌ای از شش سال تحقیق

آخرین مقاله این تیم که به تازگی در نشریه Reports on Progress in Physics منتشر شده است، تلاش‌های شش ساله گروه را خلاصه می‌کند. این مقاله به دقت نشان می‌دهد که چگونه درهم‌تنیدگی بر توزیع ذرات پایدار که از زوایای مختلف از برخوردهای ذرات خارج می‌شوند، تأثیر می‌گذارد. این ذرات پس از آنکه کوارک‌ها و گلوئون‌های آزاد شده در برخوردها به هم می‌پیوندند و این ذرات ترکیبی جدید را تشکیل می‌دهند، به وجود می‌آیند. این دیدگاه جدید از درهم‌تنیدگی میان کوارک‌ها و گلوئون‌ها، به تصویر در حال تحول ساختار درونی پروتون‌ها پیچیدگی بیشتری اضافه می‌کند و ممکن است بینش‌هایی درباره سایر حوزه‌های علمی که در آن‌ها درهم‌تنیدگی نقش دارد، ارائه دهد.

ژودونگ‌مینگ (کنگ) تو، یکی از نویسندگان این مقاله و همکار این تحقیق از زمان پیوستن به آزمایشگاه بروکهاون در سال ۲۰۱۸، گفت: “قبل از اینکه این کار را انجام دهیم، هیچ‌کس به درهم‌تنیدگی درون یک پروتون در داده‌های تجربی برخوردهای با انرژی بالا نگاه نکرده بود.” او افزود: “برای دهه‌ها، ما یک دیدگاه سنتی از پروتون به عنوان مجموعه‌ای از کوارک‌ها و گلوئون‌ها داشتیم و بر درک خواص تک‌ذره‌ای، از جمله نحوه توزیع کوارک‌ها و گلوئون‌ها درون پروتون تمرکز کرده بودیم. اکنون با شواهدی مبنی بر اینکه کوارک‌ها و گلوئون‌ها درهم‌تنیده هستند، این تصویر تغییر کرده است. ما یک سیستم بسیار پیچیده و پویا داریم.” او ادامه داد: “این مقاله جدید درک ما از اینکه چگونه درهم‌تنیدگی بر ساختار پروتون تأثیر می‌گذارد را تصحیح می‌کند.”

نقشه‌برداری از درهم‌تنیدگی در پروتون‌ها

نقشه‌برداری از درهم‌تنیدگی میان کوارک‌ها و گلوئون‌ها درون پروتون‌ها می‌تواند بینش‌هایی درباره سوالات پیچیده دیگر در فیزیک هسته‌ای ارائه دهد، از جمله اینکه چگونه بودن در یک هسته بزرگتر بر خواص پروتون تأثیر می‌گذارد. این یکی از اولویت‌های آزمایشات آینده در برخورددهنده الکترون-یون (EIC) است، یک مرکز تحقیقاتی فیزیک هسته‌ای که انتظار می‌رود در دهه ۲۰۳۰ در آزمایشگاه بروکهاون افتتاح شود. ابزارهایی که این دانشمندان در حال توسعه هستند، پیش‌بینی‌هایی را برای آزمایشات EIC ممکن می‌سازد.

تجزیه و تحلیل بی‌نظمی به عنوان نشانه‌ای از درهم‌تنیدگی

برای این مطالعه، دانشمندان از زبان و معادلات علم اطلاعات کوانتومی استفاده کردند تا پیش‌بینی کنند که چگونه درهم‌تنیدگی باید بر ذراتی که از برخوردهای الکترون-پروتون ناشی می‌شوند، تأثیر بگذارد. چنین برخوردهایی یک روش رایج برای بررسی ساختار پروتون است که اخیراً در برخورددهنده هادرون-الکترون (HERA) در هامبورگ، آلمان، از سال ۱۹۹۲ تا ۲۰۰۷ انجام شده و برای آزمایشات آینده EIC برنامه‌ریزی شده است. این رویکرد که در سال ۲۰۱۷ منتشر شد، توسط دیمیتری خارزف، نظریه‌پرداز وابسته به آزمایشگاه بروکهاون و دانشگاه استونی بروک و یوجین لوین از دانشگاه تل آویو توسعه یافته است. معادلات پیش‌بینی می‌کنند که اگر کوارک‌ها و گلوئون‌ها درهم‌تنیده باشند، این موضوع می‌تواند از آنتروپی یا بی‌نظمی برخورد آشکار شود.

تو در این باره گفت: “به یک اتاق نامرتب کودک فکر کنید، با لباس‌های شسته نشده و دیگر چیزها در همه جا. در آن اتاق نامنظم، آنتروپی بسیار بالا است.” او این وضعیت را با وضعیت کم‌آنتروپی گاراژ بسیار مرتب خود مقایسه کرد، جایی که هر ابزاری در جای خود قرار دارد. بر اساس محاسبات، پروتون‌هایی که دارای کوارک‌ها و گلوئون‌های حداکثر درهم‌تنیده هستند – یک درجه بالای “آنتروپی درهم‌تنیدگی” – باید تعداد زیادی ذره با توزیع “نامرتب” تولید کنند – یک درجه بالای آنتروپی. خارزف گفت: “برای یک حالت حداکثر درهم‌تنیده از کوارک‌ها و گلوئون‌ها، یک رابطه ساده وجود دارد که به ما اجازه می‌دهد آنتروپی ذرات تولید شده در یک برخورد با انرژی بالا را پیش‌بینی کنیم.” او افزود: “در مقاله ما، این رابطه را با استفاده از داده‌های تجربی آزمایش کردیم.”

دانشمندان با تجزیه و تحلیل داده‌های حاصل از برخوردهای پروتون-پروتون در برخورددهنده بزرگ هادرون در اروپا آغاز کردند، اما همچنین می‌خواستند به داده‌های “تمیزتر” تولید شده توسط برخوردهای الکترون-پروتون نگاه کنند. با توجه به اینکه می‌دانستند مدتی طول می‌کشد تا EIC فعال شود، تو به یکی از همکاری‌های آزمایش HERA به نام H1 پیوست، که هنوز هم گروهی از فیزیکدانان بازنشسته دارد که به طور گاه به گاه برای بحث در مورد آزمایش خود ملاقات می‌کنند. تو به مدت سه سال با فیزیکدان استفان اشمیت، سخنگوی کنونی H1 از مرکز سنکرون‌تریون الکترون‌های آلمان (DESY) همکاری کرد تا داده‌های قدیمی را استخراج کند.

تحلیل داده‌های تولید ذرات و توزیع‌های آن‌ها

این تیم اطلاعات دقیقی را از داده‌های ثبت‌شده در سال‌های 2006-2007 جمع‌آوری کرد. این اطلاعات شامل نحوه تولید ذرات، تغییرات توزیع آن‌ها و همچنین اطلاعات گسترده‌تری درباره تصادفاتی است که این توزیع‌ها را به وجود آورده‌اند. آن‌ها تمام داده‌ها را برای استفاده دیگران منتشر کردند. زمانی که فیزیک‌دانان داده‌های HERA را با محاسبات آنتروپی مقایسه کردند، نتایج به‌طور کامل با پیش‌بینی‌ها مطابقت داشت. این تحلیل‌ها، از جمله نتایج اخیر ROPP درباره تغییرات توزیع ذرات در زوایای مختلف از نقطه تصادف، شواهد قوی را نشان می‌دهد که کوارک‌ها و گلوئون‌ها درون پروتون‌ها به‌طور حداکثری درهم‌تنیده هستند. نتایج و روش‌ها به ایجاد پایه‌ای برای آزمایش‌های آینده در EIC کمک می‌کند.

رفتار آماری و ویژگی‌های نوظهور

کشف درهم‌تنیدگی میان کوارک‌ها و گلوئون‌ها نوری بر ماهیت تعاملات قوی آن‌ها می‌افکند، همان‌طور که خرسه‌اف اشاره کرد. این ممکن است بینش بیشتری درباره آنچه کوارک‌ها و گلوئون‌ها را درون پروتون‌ها نگه می‌دارد، ارائه دهد. این یکی از سوالات مرکزی در فیزیک هسته‌ای است که در EIC بررسی خواهد شد. او گفت: “درهم‌تنیدگی حداکثری درون پروتون به‌عنوان نتیجه‌ای از تعاملات قوی که تعداد زیادی جفت کوارک-آنتی‌کوارک و گلوئون تولید می‌کند، به وجود می‌آید.” تعاملات قوی — تبادل یک یا چند گلوئون میان کوارک‌ها — بین ذرات فردی رخ می‌دهد. این ممکن است به‌نظر توصیف ساده‌ای از درهم‌تنیدگی باشد، جایی که دو ذره فردی می‌توانند از یکدیگر آگاه باشند، هرچند از هم دور باشند. اما درهم‌تنیدگی، که در واقع تبادل اطلاعات است، یک تعامل سراسری است. خرسه‌اف گفت: “درهم‌تنیدگی فقط بین دو ذره اتفاق نمی‌افتد بلکه میان تمام ذرات رخ می‌دهد.” حالا که دانشمندان راهی برای بررسی این درهم‌تنیدگی جمعی پیدا کرده‌اند، ابزارهای علم اطلاعات کوانتومی می‌توانند برخی مشکلات در فیزیک هسته‌ای و ذرات را آسان‌تر کنند.

او گفت: “تصادف‌های ذرات می‌توانند بسیار پیچیده باشند و مراحل زیادی بر نتیجه تأثیر بگذارند. اما این مطالعه نشان می‌دهد که برخی نتایج، مانند آنتروپی ذراتی که به وجود می‌آیند، تحت تأثیر درهم‌تنیدگی درون پروتون‌ها قبل از تصادف قرار دارد. آنتروپی به پیچیدگی تمام مراحل میان‌راهی اهمیتی نمی‌دهد. بنابراین شاید بتوانیم از این رویکرد برای بررسی دیگر پدیده‌های پیچیده فیزیک هسته‌ای بدون نگرانی درباره جزئیات آنچه در طول مسیر اتفاق می‌افتد، استفاده کنیم.”

تفکر درباره رفتار جمعی سیستم

اندیشیدن درباره رفتار جمعی یک سیستم کامل به جای ذرات فردی در دیگر زمینه‌های فیزیک و حتی زندگی روزمره رایج است. به‌عنوان مثال، وقتی درباره یک قابلمه آب در حال جوش فکر می‌کنید، واقعاً درباره حرکت ارتعاشی هر مولکول آب فردی نمی‌دانید. هیچ مولکول آبی نمی‌تواند شما را بسوزاند. این میانگین آماری از تمام مولکول‌های در حال ارتعاش — رفتار جمعی آن‌ها — است که خاصیت دما را به وجود می‌آورد و باعث می‌شود آب احساس گرما کند. به‌طور مشابه، درک اینکه یک کوارک و گلوئون چگونه رفتار می‌کنند، به‌طور مستقیم نشان نمی‌دهد که یک پروتون به‌عنوان یک کل چگونه عمل می‌کند. او گفت: “نگاه فیزیکی تغییر می‌کند وقتی که تعداد زیادی ذره با هم وجود دارند.” او اشاره کرد که علم اطلاعات کوانتومی ابزاری برای توصیف رفتار آماری یا نوظهور کل سیستم است. “این رویکرد ممکن است بینش‌هایی درباره اینکه چگونه درهم‌تنیدگی ذرات به رفتار گروهی منجر می‌شود، ارائه دهد.”

استفاده از مدل

حالا که دانشمندان مدل خود را تأیید و اعتبارسنجی کرده‌اند، می‌خواهند از آن به روش‌های جدیدی استفاده کنند. به‌عنوان مثال، آن‌ها می‌خواهند یاد بگیرند که بودن در یک هسته چگونه بر پروتون تأثیر می‌گذارد. او گفت: “برای پاسخ به این سوال، ما نیاز داریم که الکترون‌ها را نه تنها با پروتون‌های فردی بلکه با هسته‌ها — یون‌های EIC — برخورد دهیم. استفاده از همان ابزارها برای مشاهده درهم‌تنیدگی در یک پروتون که در یک هسته قرار دارد، بسیار مفید خواهد بود تا یاد بگیریم که چگونه تحت تأثیر محیط هسته‌ای قرار می‌گیرد.”

آیا قرار دادن یک پروتون در محیط هسته‌ای شلوغ که اطراف آن پر از پروتون‌ها و نوترون‌های در حال تعامل است، درهم‌تنیدگی پروتون فردی را از بین می‌برد؟ آیا این محیط هسته‌ای می‌تواند نقشی در آنچه به‌عنوان دکوهیرنس کوانتومی شناخته می‌شود، ایفا کند؟ او گفت: “نگاه به درهم‌تنیدگی در محیط هسته‌ای قطعاً به ما اطلاعات بیشتری درباره این رفتار کوانتومی خواهد داد — اینکه چگونه هم‌خوانی خود را حفظ می‌کند یا دکوهیر می‌شود — و بیشتر درباره اینکه چگونه به پدیده‌های سنتی فیزیک هسته‌ای و ذرات که در تلاش برای حل آن‌ها هستیم، مرتبط می‌شود.” مارتین هنتسچینسکی، یکی از نویسندگان این مقاله از دانشگاه آمریکای پوبلا (UDLAP) در مکزیک، گفت: “تأثیر محیط هسته‌ای بر پروتون‌ها و نوترون‌ها در مرکز علم EIC قرار دارد.” همکار نویسنده، کژیشتوف کوتاک از آکادمی علوم لهستان افزود: “پدیده‌های دیگری وجود دارد که می‌خواهیم از این ابزار برای مطالعه آن‌ها استفاده کنیم تا درک ما از ساختار ماده قابل مشاهده را به مرز جدیدی برسانیم.”

این تحقیق توسط دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده، برنامه تحقیق و نوآوری افق 2020 اتحادیه اروپا، حمایت‌های UDLAP Apoyos VAC 2024 و برنامه تحقیق و توسعه هدایت‌شده آزمایشگاه بروکهاون تأمین مالی شده است.