摘要：美国能源部 (DOE) 布鲁克海文国家实验室的科学家及其合作者找到了一种新方法，利用高能粒子碰撞的数据来观察质子内部。他们的方法利用量子信息科学来绘制电子-质子碰撞产生的粒子轨迹如何受到质子内部量子纠缠的影响。

美国能源部 (DOE) 布鲁克海文国家实验室的科学家及其合作者找到了一种新方法，利用高能粒子碰撞的数据来观察质子内部。他们的方法利用量子信息科学来绘制电子-质子碰撞产生的粒子轨迹如何受到质子内部量子纠缠的影响。

研究结果表明，构成质子结构的基本构件夸克和胶子受到所谓的量子纠缠的影响。爱因斯坦将这一奇特现象描述为“鬼魅般的超距作用”，认为即使粒子相隔很远，它们也能知道彼此的状态（例如自旋方向）。在这种情况下，纠缠发生在极短的距离内（单个质子内部的距离不到千万亿分之一米），信息共享扩展到该质子中整个夸克和胶子组。

该团队的最新论文刚刚发表在《物理学进展报告》（ROPP）杂志上，总结了该团队六年的研究成果。它精确地描绘了纠缠如何影响稳定粒子的分布，这些稳定粒子在碰撞中释放的夸克和胶子聚结形成新的复合粒子后，以各种角度从粒子碰撞中出现。

这种关于夸克和胶子之间纠缠的新观点为质子内部结构的发展图景增添了一层复杂性。它或许还能为纠缠发挥作用的其他科学领域提供见解。

“在我们进行这项研究之前，还没有人研究过实验高能碰撞数据中质子内部的纠缠，”物理学家周敦明（孔）涂说，他是该论文的合著者，自 2018 年加入布鲁克海文实验室以来一直参与此项探索。“几十年来，我们一直传统地认为质子是夸克和胶子的集合，我们一直专注于理解所谓的单粒子特性，包括夸克和胶子在质子内部的分布情况。

“现在，有证据表明夸克和胶子之间存在纠缠，这一情况已经改变。我们拥有一个更加复杂、动态的系统，”他说。“这篇最新论文完善了我们对纠缠如何影响质子结构的理解。”

绘制质子内部夸克和胶子之间的纠缠关系，有助于我们了解核物理中的其他复杂问题，包括作为较大原子核的一部分如何影响质子的特性。这将是电子-离子对撞机 (EIC) 未来实验的重点之一，该核物理研究设施预计将于 2030 年代在布鲁克海文实验室开放。这些科学家正在开发的工具将为 EIC 实验提供预测。

解读混乱是纠缠的标志

在这项研究中，科学家使用了量子信息科学的语言和方程式来预测纠缠将如何影响电子-质子碰撞产生的粒子流。这种碰撞是探测质子结构的一种常用方法，最近一次是在 1992 年至 2007 年期间在德国汉堡的强子-电子环加速器 (HERA) 粒子对撞机上进行的，并计划在未来的 EIC 实验中使用。

这种方法于 2017 年发表，由布鲁克海文实验室和石溪大学的理论家 Dmitri Kharzeev 和特拉维夫大学的 Eugene Levin 共同开发，Dmitri Kharzeev 是该论文的合著者。这些方程预测，如果夸克和胶子纠缠在一起，那么可以从碰撞的熵或无序性中揭示出来。

“想象一下孩子凌乱的卧室，到处都是脏衣服和其他东西。在那个杂乱无章的房间里，熵非常高，”涂说，并将其与他极其整洁的车库中的低熵情况进行了对比，在车库里，每件工具都各归其位。

根据计算，质子与夸克和胶子的纠缠达到最大程度——即“纠缠熵”很高——应该会产生大量分布“混乱”的粒子——即熵值很高。

“对于夸克和胶子的最大纠缠态，有一个简单的关系可以让我们预测高能碰撞中产生的粒子的熵，”Kharzeev 说。“在我们的论文中，我们用实验数据测试了这种关系。”

科学家们首先分析了欧洲大型强子对撞机质子-质子碰撞的数据，但他们也想看看电子-质子碰撞产生的“更干净”的数据。由于知道 EIC 启动还需要一段时间，Tu 加入了 HERA 实验合作项目之一，即 H1，该项目仍有一群退休物理学家不时开会讨论他们的实验。

Tu 与德国电子同步加速器 (DESY) 的 H1 现任联合发言人、物理学家 Stefan Schmitt 合作了三年，挖掘旧数据。两人从 2006-2007 年记录的数据中整理出详细信息，包括粒子生成和分布如何变化，以及有关产生这些分布的碰撞的大量其他信息。他们公布了所有数据供其他人使用。

当物理学家将 HERA 数据与熵计算结果进行比较时，结果与预测完全吻合。这些分析，包括最新的ROPP结果，即粒子分布如何从碰撞点的不同角度发生变化，提供了强有力的证据，表明质子内部的夸克和胶子最大程度地纠缠在一起。

这些结果和方法有助于为 EIC 未来的实验奠定基础。

统计行为和突发特性

哈泽夫指出，夸克和胶子之间纠缠的揭示有助于我们了解它们之间强力相互作用的本质。这可能让我们进一步了解夸克和胶子为何被束缚在质子内，这是 EIC 将要探讨的核物理学核心问题之一。

他说：“质子内部的最大纠缠是强相互作用产生大量夸克-反夸克对和胶子的结果。”

强力相互作用（夸克之间交换一个或多个胶子）发生在单个粒子之间。这听起来可能只是对纠缠最简单的描述，两个单个粒子无论相距多远都能相互了解。但纠缠实际上是一种信息交换，是一种系统范围内的相互作用。

哈尔泽夫说：“纠缠不仅发生在两个粒子之间，也发生在所有粒子之间。”

现在科学家们已经有了探索这种集体纠缠的方法，量子信息科学的工具可以使核物理和粒子物理中的一些问题更容易理解。

“粒子碰撞可能极其复杂，有许多步骤会影响结果，”Tu 说。“但这项研究表明，一些结果，比如粒子出现的熵，是由碰撞前质子内部的纠缠决定的。熵并不‘关心’所有中间步骤的复杂性。所以也许我们可以用这种方法来探索其他复杂的核物理现象，而不必担心沿途发生的事情的细节。”

在物理学的其他领域甚至日常生活中，思考整个系统而非单个粒子的集体行为是很常见的。例如，当你想到一壶沸水时，你并不知道每个水分子的振动运动。没有一个水分子会烫伤你。所有分子振动的统计平均值——它们的集体行为——产生了温度特性，使水感觉很热。同样，了解一个夸克和胶子的行为并不能立即传达质子作为一个整体的行为。

Tu 表示：“当有这么多粒子聚集在一起时，物理学的观点就会发生变化。”他指出，量子信息科学是描述整个系统统计或突发行为的工具。“这种方法可能有助于了解粒子纠缠如何导致群体行为，”Tu 说道。

将模型投入使用

现在科学家已经确认并验证了他们的模型，他们想以新的方式使用它。例如，他们想了解原子核如何影响质子。

“为了回答这个问题，我们不仅需要让电子与单个质子碰撞，还需要让电子与原子核（EIC 的离子）碰撞，”Tu 说。“使用相同的工具来观察嵌入原子核的质子的纠缠将非常有帮助，以了解它如何受到核环境的影响。”

将质子置于非常繁忙的核环境中，周围环绕着许多其他相互作用的质子和中子，会消除单个质子的纠缠吗？这种核环境会在所谓的量子退相干中发挥作用吗？

涂说：“观察核环境中的纠缠肯定会让我们更多地了解这种量子行为——它如何保持相干或变得退相干——并更多地了解它如何与我们试图解决的传统核和粒子物理现象联系起来。”

“核环境对质子和中子的影响是 EIC 科学的核心，”该论文的共同作者、墨西哥普埃布拉美洲大学 (UDLAP) 的马丁·亨钦斯基 (Martin Hentschinski) 说。

波兰科学院的共同作者克日什托夫·库塔克补充道：“我们还想利用这个工具研究许多其他现象，以将我们对可见物质结构的理解推向新的前沿。”

这项研究由美国能源部科学办公室、欧盟“地平线 2020”研究与创新计划、UDLAP Apoyos VAC 2024 和布鲁克海文实验室的实验室指导研究与开发计划资助。

来源：人工智能学家