Физики впервые зафиксировали "жуткое" квантовое явление в основных частицах Вселенной.

Ученые давно выдвигали предположение, что кварки и глюоны, составляющие протоны, могут находиться в состоянии квантовой запутанности. Эти частицы являются основополагающими элементами Вселенной. Теперь, впервые, получено прямое доказательство существования этого загадочного явления внутри субатомной частицы — протона, наряду с нейтроном, формирующего ядра атомов. Новое открытие было описано в исследовании, опубликованном в журнале Reports on Progress in Physics, сообщает Live Science.

Частицы, находящиеся в состоянии квантовой запутанности, связаны таким образом, что изменение одной из них мгновенно приводит к изменению другой, даже если они разделены огромными расстояниями. Альберт Эйнштейн изначально отвергал эту концепцию, называя квантовую запутанность "жутким действием на расстоянии". Однако последующие исследования подтвердили существование этого странного квантового феномена.

Физики впервые зафиксировали квантовую запутанность между кварками и глюонами внутри протонов на расстоянии в одну квадриллионную метра, что позволяет частицам обмениваться информацией по всему протону. Это открытие кардинально меняет представление о внутренней структуре и характеристиках данной субатомной частицы.

Несмотря на то, что квантовая запутанность была доказана еще в 70-х годах прошлого века, многие аспекты этого необычного явления остаются относительно неизученными, включая квантовую запутанность между кварками.

Важно отметить, что субатомные частицы не существуют изолированно, а объединяются в различные комбинации, известные как адроны. Одной из категорий адронов являются барионы. Барионы, такие как протоны и нейтроны, состоят из трех кварков, которые тесно связаны с глюонами, переносчиками сильного взаимодействия.

Когда отдельные кварки отделяются от адронов, энергия, затраченная на их извлечение, делает эти частицы нестабильными, превращая их в струи частиц в процессе адронизации. Это усложняет задачу анализа триллионов продуктов распада частиц для восстановления их исходного состояния. Тем не менее, именно это и сделали физики.

Для изучения внутреннего состояния протонов физики использовали данные, полученные в ходе экспериментов на Большом адронном коллайдере. После этого они применили принцип из квантовой информатики, согласно которому энтропия системы, то есть мера того, сколько энергетических состояний может быть организовано в системе, возрастает с увеличением квантовой запутанности.

Ученые сравнили струи частиц с расчетами их энтропии и обнаружили, что кварки и глюоны внутри протонов, сталкивающихся в ускорителе частиц, находятся в максимально возможном состоянии квантовой запутанности. При этом каждая частица делится наибольшим объемом информации.

По словам физиков, это открытие поможет углубить понимание природы фундаментальных частиц Вселенной. Например, оно может пролить свет на вопрос, почему кварки и глюоны остаются запертыми внутри протонов. Также учёные полагают, что квантовая запутанность внутри протонов может оказывать влияние на структуру ядер атомов, хотя еще предстоит выяснить, как именно это происходит.