پروتونی مرموزتر از همیشه: فیزیکدانان از “درهم‌تنیدگی کوانتومی” پرده برداشتند!

مطالعات نو در باب ساختمانِ پروتون با یاری علمِ اطلاعاتِ کوانتومی

دانشمندهای آزمایشگاه ملی بروکهاونِ وزارت انرژیِ آمریکا و همکاراشون، شیوه ی نوینی رو برای بهره گیری از داده های حاصل از برخورد ذرات با انرژی بالا، جهت کالبدشکافیِ درون پروتون ها، پیش نهادن. این شیوه از علمِ اطلاعاتِ کوانتومی مدد می گیره تا اثر درهم تنیدگی کوانتومی رو بر مسیرِ ذراتی که از برخورد الکترون-پروتون حاصل میشن، تصویر کنه.

نتیجه های این پژوهش نشون میده که کوارک ها و گلوئون ها، که پیکره ی اصلیِ ساختار پروتون رو شکل میدن، تحت تاثیرِ چیزی که با نام درهم تنیدگی کوانتومی شناخته میشه، قرار دارن. این پدیده ی شگفت انگیز، که آلبرت اینشتین اونو به عنوانِ “کنش مرموز در فاصله” توصیف کرده، اینو میگه که ذرات میتونن از حالِ همدیگه باخبر باشن. به عنوان نمونه، جهتِ چرخش شون، حتی وقتی فاصله ی زیادی بین شون باشه. اینجا، درهم تنیدگی در فواصل خیلی کم، کمتر از یک کوادریلیونیم متر درون پروتون های تکی، رخ میده و تبادل اطلاعات بین تمومِ کوارک ها و گلوئون ها توی اون پروتون، گسترش پیدا میکنه.

خلاصه ای از پژوهش شش ساله

تازه ترین مقاله ی این گروه که به تازگی در نشریه ی Reports on Progress in Physics چاپ شده، حاصلِ شش ساله تلاشِ این گروهه. این مقاله با ریزبینی نشون میده که چه طور درهم تنیدگی روی پخش و توزیع ذراتِ پایدار که از زوایای مختلف از برخورد ذرات بیرون میان، تاثیر میزاره. این ذرات بعد از اینکه کوارک ها و گلوئون های آزاد شده در اثر برخورد، به هم می پیوندن و این ذرات، ترکیب تازه ای رو میسازن، به وجود میان. این دیدگاه نو از درهم تنیدگی میان کوارک ها و گلوئون ها، به تصویرِ در حال دگرگونیِ ساختارِ درونی پروتون ها پیچیدگیِ بیشتری میده و شاید سرنخ هایی رو درباره ی زمینه های علمی دیگه که درهم تنیدگی نقش داره، رو بکشه بیرون.

ژودونگ مینگ (کنگ) تو، یکی از نویسنده های این مقاله و همکار این پژوهش از وقتی که در سال 2018 به آزمایشگاه بروکهاون پیوست، گفت: “تا پیش از این، هیچ کس به درهم تنیدگی درون یک پروتون توی داده های تجربیِ برخوردهای پر انرژی، نگاه نکرده بود.” اون افزود: “برای دهه ها، ما یک دیدگاه سنتی از پروتون به عنوان مجموعه‌ای از کوارک ها و گلوئون ها داشتیم و روی فهمیدنِ خواصِ تک ذره ای، از جمله چگونگی پخش شدن کوارک ها و گلوئون ها درون پروتون، تمرکز کرده بودیم. حالا با شواهدی که نشون میده کوارک ها و گلوئون ها با هم درهم تنیده ن، این تصویر عوض شده. ما یک سامانه ی خیلی پیچیده و پویا داریم.” اون ادامه داد: “این مقاله ی تازه، فهم ما از اینکه چه طور درهم تنیدگی روی ساختار پروتون اثر میزاره رو، تصحیح میکنه.”

نقشه کشیدن از درهم تنیدگی در پروتون ها

نقشه کشیدن از درهم تنیدگی میان کوارک ها و گلوئون ها درون پروتون ها میتونه سرنخ هایی درباره ی سوالات پیچیده ی دیگه در فیزیکِ هسته ای بده، از جمله اینکه چطوری بودن در یک هسته بزرگتر، روی خواص پروتون اثر میزاره. این یکی از اولویت های آزمایش های آینده در برخورددهنده الکترون-یون (EIC) هست، که یک مرکز پژوهشی فیزیک هسته ای هست و پیش بینی میشه تو دهه ی 2030 در آزمایشگاه بروکهاون باز بشه. ابزارهایی که این دانشمندها دارن میسازن، پیش بینی هایی رو برای آزمایش های EIC ممکن میکنه.

شکافتنِ بی نظمی به عنوان نشانه ای از درهم تنیدگی

برای این مطالعه، دانشمندها از زبان و معادلات علم اطلاعات کوانتومی استفاده کردن تا پیش بینی کنن که چطور درهم تنیدگی باید روی ذراتی که از برخورد الکترون-پروتون به وجود میان، اثر داشته باشه. این جور برخوردها یک شیوه ی مرسوم برای پژوهش روی ساختار پروتون هست که اخیرا در برخورددهنده هادرون-الکترون (HERA) در هامبورگِ آلمان، از سال 1992 تا 2007 انجام شده و برای آزمایش های آینده ی EIC برنامه ریزی شده. این روش که در سال 2017 منتشر شد، توسط دیمیتری خارزف، دانشمند نظریه‌پرداز وابسته به آزمایشگاه بروکهاون و دانشگاه استونی بروک و یوجین لوین از دانشگاه تل آویو گسترش پیدا کرد. معادلات پیش بینی میکنن که اگه کوارک ها و گلوئون ها درهم تنیده باشن، این موضوع میتونه از آنتروپی یا بی نظمی برخورد، خودشو نشون بده.

تو در این باره گفت: “به یک اتاق به هم ریخته ی بچه فکر کنین، با لباس های نشسته و چیزای دیگه همه جا. تو اون اتاق درهم، آنتروپی خیلی بالاست.” اون این وضع رو با وضعیت کم آنتروپی گاراژ خیلی مرتبِ خودش مقایسه کرد، جایی که هر وسیله ای سر جای خودشه. طبق محاسبات، پروتون هایی که کوارک ها و گلوئون های حداکثر درهم تنیده دارن – یک درجه ی بالا از “آنتروپی درهم تنیدگی” – باید تعداد زیادی ذره با پخش و توزیع “به هم ریخته” تولید کنن – یک درجه ی بالا از آنتروپی. خارزف گفت: “برای یک حالت حداکثر درهم تنیده ی کوارک ها و گلوئون ها، یک رابطه ساده وجود داره که به ما اجازه میده آنتروپی ذراتی که در یک برخورد پر انرژی تولید میشن رو، پیش بینی کنیم.” اون اضافه کرد: “تو مقاله ی ما، این رابطه رو با استفاده از داده های تجربی امتحان کردیم.”

دانشمندها با تجزیه و تحلیلِ داده های حاصل از برخوردِ پروتون – پروتون در برخورددهنده بزرگ هادرون در اروپا شروع کردن، اما همچنین میخواستن به داده های “پاک تر” که از برخورد الکترون-پروتون به دست می اومد، نگاه کنن. با توجه به اینکه میدونستن یک مدت زمانی طول میکشه تا EIC فعال بشه، تو به یکی از همکارای آزمایشHera ، به اسم H1 ، ملحق شد، که هنوز یه گروهی از فیزیکدانای بازنشسته داره که هر از چند گاهی برای بحث درباره ی آزمایش شون دور هم جمع میشن. تو به مدت سه سال با فیزیکدان استفان اشمیت، سخنگوی فعلی H1 از مرکز سنکرون تریون الکترون های آلمان (DESY) همکاری کرد تا داده های قدیمی رو بیرون بکشه.

تحلیلِ داده های تولیدِ ذرات و پخش و توزیع اونها

این گروه، اطلاعات دقیقی رو از داده های جمع آوری شده در سال های 2006-2007، گرد آورد. این اطلاعات شامل چگونگی تولید ذرات، تغییرات پخششون و همچنین اطلاعاتِ گسترده تری درباره ی تصادفاتیه که این توزیع ها رو درست کردن. اونها همه ی داده ها رو برای استفاده ی بقیه منتشر کردن. وقتی فیزیک دانها، داده های HERA رو با محاسبات آنتروپی مقایسه کردن، نتایج به طور کامل با پیش بینی ها همخوانی داشت. این تحلیل ها، از جمله نتایج اخیر ROPP درباره ی تغییرات پخش و توزیع ذرات در زوایای مختلف از نقطه ی تصادف، نشون میده که کوارک ها و گلوئون های درون پروتون ها، به طور حداکثری درهم تنیده ن. نتیجه ها و روش ها به راه اندازیِ یه پایه برای آزمایش های آینده در EIC کمک میکنه.

رفتارِ آماری و ویژگی های تازه پیداشده

کشف درهم تنیدگی میان کوارک ها و گلوئون ها نوری به ماهیتِ تعاملاتِ قوی اونها میندازه، همون طور که خارزف اشاره کرد. این شاید بینش بیشتری درباره ی اینکه چی کوارک ها و گلوئون ها رو درون پروتون ها نگه میداره، بده. این یکی از سوالای کلیدی در فیزیک هسته ایه که در EIC بررسیش میکنن. او گفت: “درهم تنیدگیِ حداکثری درون پروتون، به عنوان نتیجه ای از تعاملات قوی که تعداد زیادی جفت کوارک-آنتی کوارک و گلوئون تولید میکنه، به وجود میاد.” تعاملات قوی — تبادل یک یا چند گلوئون میان کوارک ها — بین ذرات تکی رخ میده. این شاید یه توصیف ساده ای از درهم تنیدگی باشه، جایی که دو ذره ی تکی میتونن از همدیگه باخبر باشن، هرچند از هم دور باشن. اما درهم تنیدگی، که در واقع تبادل اطلاعاته، یک تعامل سراسریه. خارزف گفت: “درهم تنیدگی فقط بین دو ذره اتفاق نمیفته بلکه بین تموم ذرات رخ میده.” حالا که دانشمندها راهی برای بررسی این درهم تنیدگیِ جمعی پیدا کردن، ابزارهای علم اطلاعات کوانتومی میتونن بعضی از مشکلات در فیزیک هسته ای و ذرات رو آسون تر کنن.

او گفت: “تصادف های ذرات میتونن خیلی پیچیده باشن و مراحل زیادی روی نتیجه اثر بزارن. اما این مطالعه نشون میده که بعضی از نتایج، مثل آنتروپیِ ذراتی که به وجود میان، تحت تاثیر درهم تنیدگی درون پروتون ها قبل از تصادف، قرار داره. آنتروپی به پیچیدگیِ تمومِ مراحلِ میان راهی اهمیتی نمیده. بنابراین شاید بتونیم از این روش برای بررسی پدیده های پیچیده ی دیگه ی فیزیک هسته ای، بدون نگرانی درباره ی جزییاتِ اونی که در طول مسیر اتفاق میفته، استفاده کنیم.”

فکر کردن درباره رفتار جمعیِ سامانه

اندیشیدن درباره ی رفتار جمعیِ یک سامانه ی کامل به جای ذرات تکی در زمینه های دیگه ی فیزیک و حتی زندگیِ روزمره هم رایجه. به عنوان نمونه، وقتی درباره ی یک قابلمه ی آبِ در حال جوش فکر میکنین، واقعا درباره ی حرکتِ ارتعاشیِ هر مولکول آب تکی نمیدونین. هیچ مولکول آبی نمیتونه شما رو بسوزونه. این میانگین آماری از تموم مولکول های در حال ارتعاش – رفتار جمعی شون – هست که خاصیتِ دما رو به وجود میاره و باعث میشه آب حس گرما بده. به طور مشابه، فهمیدن اینکه یک کوارک و گلوئون چطور رفتار میکنن، به طور مستقیم نشون نمیده که یک پروتون به عنوان یک کل، چه جوری عمل میکنه. او گفت: “نگاهِ فیزیکی عوض میشه وقتی که تعداد زیادی ذره با هم وجود دارن.” اون اشاره کرد که علم اطلاعات کوانتومی ابزاری برای توصیفِ رفتارِ آماری یا تازه پیداشده ی کلِ سامانه ست. “این رویکرد ممکنه بینش هایی درباره ی اینکه چطوری درهم تنیدگیِ ذرات به رفتارِ گروهی میرسه رو بده.”

به کار بردنِ مدل

حالا که دانشمندا، مدلشون رو تایید و اعتبار سنجی کردن، میخوان از اون به شیوه های نوینی استفاده کنن. به عنوان نمونه، اونها میخوان یاد بگیرن که بودن در یک هسته چه جوری روی پروتون اثر میزاره. او گفت: “برای جواب به این سوال، ما نیاز داریم که الکترون ها رو نه فقط با پروتون های تکی، بلکه با هسته ها – یون های EIC – برخورد بدیم. به کار بردن همون ابزارها برای دیدن درهم تنیدگی در یک پروتون که در یک هسته قرار داره، خیلی مفید خواهد بود تا یاد بگیریم که چطور تحت تاثیر محیطِ هسته ای قرار میگیره.”

آیا قرار دادن یک پروتون در محیط هسته ایِ شلوغ که دور و برش پر از پروتون ها و نوترون های در حال تعامله، درهم تنیدگیِ پروتونِ تکی رو از بین میبره؟ آیا این محیط هسته ای میتونه نقشی در اونی که با نام دکوهیرنس کوانتومی میشناسیم، بازی کنه؟ او گفت: “نگاه به درهم تنیدگی در محیط هسته ای قطعا به ما اطلاعات بیشتری درباره ی این رفتار کوانتومی خواهد داد – اینکه چطور همخونیِ خودش رو حفظ میکنه یا دکوهیر میشه – و بیشتر درباره ی اینکه چه طور به پدیده های سنتیِ فیزیک هسته ای و ذرات که در تلاش برای حل کردنشون هستیم، مربوط میشه.” مارتین هنتسچینسکی، یکی از نویسنده های این مقاله از دانشگاه آمریکا در پوبلا (UDLAP) در مکزیک، گفت: “تاثیر محیط هسته ای روی پروتون ها و نوترون ها در مرکز علم EIC قرار داره.” همکار نویسنده، کژیشتوف کوتاک از آکادمی علوم لهستان اضافه کرد: “پدیده های دیگه ای وجود داره که میخوایم از این ابزار برای مطالعه شون استفاده کنیم تا فهممون از ساختارِ ماده ی قابل دیدن رو به مرز تازه ای برسونیم.”

این پژوهش توسط دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده، برنامه پژوهش و نوآوریِ افق 2020 اتحادیه ی اروپا، حمایت های UDLAP Apoyos VAC 2024 و برنامه پژوهش و توسعه ی هدایت شده ی آزمایشگاه بروکهاون تأمین مالی شده.