摘要：美国能源部（DOE）布鲁克海文国家实验室和石溪大学（SBU）的物理学家证明，在亚原子粒子碰撞中，准直喷雾（称为喷流）产生的粒子保留了其起源的信息。这项研究最近作为编辑推荐发表在《物理评论快报》上。

美国能源部（DOE）布鲁克海文国家实验室和石溪大学（SBU）的物理学家证明，在亚原子粒子碰撞中，准直喷雾（称为喷流）产生的粒子保留了其起源的信息。这项研究最近作为编辑推荐发表在《物理评论快报》上。

“尽管进行了广泛的研究，但喷流的初始条件与其最终粒子分布之间的联系仍然难以捉摸，”萨格勒布大学物理与天文系核科学前沿中心 (CFNS) 的研究员查尔斯·约瑟夫·奈姆 (Charles Joseph Naim) 说。“这项研究首次建立了喷流形成初期‘纠缠熵’与喷流演化过程中出现的粒子之间的直接联系。”

这一证据来自对质子-质子碰撞产生的喷流粒子的分析。这些喷流粒子是由位于欧洲核子研究中心 (CERN) 的大型强子对撞机 (Large Hadron Collider) 进行的 ATLAS 实验捕获的。大型强子对撞机是一座周长 17 英里的圆形对撞机。在这些强大的碰撞中，

碰撞质子的组成部分，即夸克和胶子，会相互散射，有时会因巨大的能量而被撞出。但夸克无法长时间保持自由状态。它们和通常将它们结合在一起的胶子会立即开始分裂，并通过一个称为碎裂的分支过程重新连接。其结果是形成了许多由成对或成三重夸克组成的新复合粒子（统称为强子），它们以协调的方式从碰撞中喷射出来，也就是形成喷流。

“我们想看看喷流中强子的分布是否受到喷流最初形成时夸克和胶子之间纠缠程度的影响，”SBU 杰出教授 Abhay Deshpande 说道。Deshpande 兼任布鲁克海文实验室正在建设的新型核物理研究设施——电子离子对撞机 (EIC) 的科学主任，目前还担任布鲁克海文实验室核物理和粒子物理的临时副实验室主任。

这项分析的部分动机源于论文合著者涂周敦明和德米特里·哈泽夫的早期研究，两人均在斯坦福大学任教，并在布鲁克海文实验室任职。他们去年发表的研究揭示了质子内部夸克和胶子之间的纠缠与质子-质子碰撞和电子-质子碰撞产生的粒子总体分布之间的联系。在这项研究中，夸克和胶子之间的纠缠熵越高，产生的粒子分布的熵（或“混乱度”）就越大。

“这项早期研究表明，高能质子内部的夸克和胶子之间存在最大程度的纠缠，”涂教授说。“在这项研究中，我们将这种方法扩展到喷流的产生，喷流是由这些夸克和胶子的碎裂形成的。那么，在这些碎裂的高能夸克和胶子‘内部’是否也存在最大程度的纠缠？”

形成喷流的夸克和胶子之间这种最大程度的纠缠状态预示着喷流碎裂函数与喷流中产生的强子的熵（或无序性）之间存在联系。这种熵值会在大量不同类型的强子（主要是π介子、K介子和质子）撞击探测器时被观测到。反过来，喷流粒子之间高度无序的观测结果及其与初始碎裂预测的相关性，则可能是碎裂的夸克和胶子中存在最大程度纠缠的证据。

当科学家们查看大型强子对撞机质子-质子碰撞的数据时，喷流强子的分布与基于喷流形成早期阶段最大纠缠的预测相符。

哈尔泽夫说：“这项新研究为碎片化过程提供了一个新颖的量子层面的视角。”

该研究的合著者、SBU 的研究科学家 Jaydeep Datta 补充道：“这项研究为进一步探索量子纠缠如何影响强子的形成铺平了道路，包括即将推出的电子离子对撞机。”

EIC 将得到石溪大学众多师生的积极参与，并有望在研究高能碰撞中的量子纠缠效应方面达到前所未有的精度。此外，EIC 将比较电子-质子碰撞产生的喷流和电子-原子核碰撞产生的喷流。这些实验将探索量子效应在原子核内的延伸范围，并可能改变质子内部的微观世界。

来源：啾咔科学分享