Αφού εξέτασαν το εσωτερικό των πρωτονίων, οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι τα κουάρκς και τα γκλουόνια, τα θεμελιώδη δομικά τους στοιχεία, παρουσιάζουν κβαντική διεμπλοκή.
Τα περιπλεγμένα σωματίδια συνδέονται μεταξύ τους, έτσι ώστε μια αλλαγή στο ένα να προκαλεί ακαριαία μια αλλαγή στο άλλο, ακόμη και αν αυτά χωρίζονται από τεράστιες αποστάσεις. Ο Albert Einstein απέρριψε ως γνωστόν την ιδέα ως «φαινομενική δράση εξ αποστάσεως», αλλά μεταγενέστερα πειράματα απέδειξαν ότι το παράξενο φαινόμενο που σπάει την τοπικότητα είναι πραγματικό.
Οι Φυσικοί είχαν παρατηρήσει και στο παρελθόν την εμπλοκή μεταξύ των κουάρκ, αλλά δεν είχαν βρει ποτέ αποδείξεις ότι υφίστανται σε μια κβαντικά συνδεδεμένη κατάσταση μέσα στα πρωτόνια. Τώρα, μια ομάδα ερευνητών ανακάλυψε την εμπλοκή μεταξύ κουάρκ και γκλουονίων στο εσωτερικό των πρωτονίων σε απόσταση ενός τετρακις εκατομμυριοστού του μέτρου – επιτρέποντας στα σωματίδια να μοιράζονται πληροφορίες σε όλο το πρωτόνιο.
«Για δεκαετίες, είχαμε μια παραδοσιακή άποψη του πρωτονίου ως μια συλλογή από κουάρκ και γκλουόνια και επικεντρωθήκαμε στην κατανόηση των λεγόμενων ιδιοτήτων των μεμονωμένων σωματιδίων, συμπεριλαμβανομένου του τρόπου με τον οποίο τα κουάρκ και τα γκλουόνια κατανέμονται στο εσωτερικό του πρωτονίου», δήλωσε σε ανακοίνωσή του ο συν-συγγραφέας της μελέτης Zhoudunming Tu, φυσικός στο Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven στο Upton της Νέας Υόρκης. «Τώρα, με την απόδειξη ότι τα κουάρκς και τα γκλουόνια περιπλέκονται, αυτή η εικόνα έχει αλλάξει. Έχουμε ένα πολύ πιο περίπλοκο, δυναμικό σύστημα».
Η πειραματική απόδειξη της κβαντικής διεμπλοκής εμφανίστηκε για πρώτη φορά τη δεκαετία του 1970, αλλά πολλές πτυχές του φαινομένου παραμένουν σχετικά ανεξερεύνητες – συμπεριλαμβανομένων των διεμπλεκόμενων αλληλεπιδράσεων μεταξύ των κουάρκ. Αυτό οφείλεται κυρίως στο γεγονός ότι τα υποατομικά σωματίδια δεν υπάρχουν μόνα τους και, αντίθετα, συγχωνεύονται σε διάφορους συνδυασμούς σωματιδίων, γνωστούς ως αδρόνια. Για παράδειγμα, τα βαρυόνια, όπως τα πρωτόνια και τα νετρόνια, είναι συνδυασμοί τριών κουάρκ που συνδέονται στενά μεταξύ τους με γκλουόνια που μεταφέρουν την ισχυρή πυρηνική δύναμη.
Όταν μεμονωμένα κουάρκ αποσπώνται από τα αδρόνια, η ενέργεια που χρησιμοποιείται για την εξαγωγή τους τα καθιστά ασταθή, μετατρέποντάς τα σε διακλαδισμένους πίδακες σωματιδίων σε μια διαδικασία που ονομάζεται αδρονισμός. Αυτό καθιστά το έργο της διαλογής των τρισεκατομμυρίων προϊόντων διάσπασης των σωματιδίων για την ανακατασκευή της αρχικής τους κατάστασης απίστευτα δύσκολο.
Αλλά αυτό ακριβώς έκαναν οι ερευνητές. Για να διερευνήσουν την εσωτερική λειτουργία των πρωτονίων, οι επιστήμονες αξιοποίησαν δεδομένα που συλλέχθηκαν από τα πειράματα του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) και του Επιταχυντή Δακτυλίου Αδρονίων-Ηλεκτρονίων (HERA). Στη συνέχεια εφάρμοσαν μια αρχή από την επιστήμη της κβαντικής πληροφορίας που λέει ότι η εντροπία ενός συστήματος (ένα μέτρο του πόσες ενεργειακές καταστάσεις μπορεί να διαμορφωθεί ένα σύστημα) αυξάνεται με την εμπλοκή του – με αποτέλεσμα η κατανομή των ψεκασμών σωματιδίων να φαίνεται πιο ακατάστατη.
Συγκρίνοντας τους ψεκασμούς των σωματιδίων με υπολογισμούς της εντροπίας τους, οι Φυσικοί ανακάλυψαν ότι τα κουάρκ και τα γκλουόνια μέσα στα συγκρουόμενα πρωτόνια υπήρχαν σε μια κατάσταση μέγιστης διεμπλοκής, όπου το καθένα μοιραζόταν τις περισσότερες δυνατές πληροφορίες.
«Η εντροπία συνδέεται συνήθως με την αβεβαιότητα σχετικά με κάποιες πληροφορίες, ενώ η διεμπλοκή οδηγεί σε “διαμοιρασμό” πληροφοριών μεταξύ των δύο διεμπλεκόμενων μερών. Έτσι αυτά τα δύο μπορούν να συσχετιστούν μεταξύ τους στην κβαντομηχανική», δήλωσε ο Tu. «Χρησιμοποιούμε την προβλεπόμενη εντροπία (με την παραδοχή της διεμπλοκής) για να ελέγξουμε με αυτό που λένε τα δεδομένα, και βρήκαμε μεγάλη συμφωνία».
Οι επιστήμονες υποστηρίζουν ότι η ανακάλυψή τους θα μπορούσε να βοηθήσει στην απόκτηση περισσότερων γνώσεων για τα θεμελιώδη σωματίδια – όπως το πώς τα κουάρκ και τα γκλουόνια παραμένουν περιορισμένα μέσα στα πρωτόνια. Η έρευνα προκάλεσε επίσης περαιτέρω ερωτήματα σχετικά με το πώς αλλάζει η διεμπλοκή όταν τα πρωτόνια είναι κλειδωμένα μέσα σε ατομικούς πυρήνες.
«Επειδή οι πυρήνες αποτελούνται από πρωτόνια και νετρόνια, είναι φυσικό να αναρωτηθούμε τι θα έκανε η διεμπλοκή στη δομή των πυρήνων», δήλωσε ο Tu. «Σχεδιάζουμε να χρησιμοποιήσουμε τον επιταχυντή ηλεκτρονίων-ιόντων (EIC) για να το μελετήσουμε αυτό. Αυτό θα γίνει σε 10 χρόνια. Πριν από αυτό, ορισμένοι τύποι συγκρούσεων, οι λεγόμενες υπερ-περιφερειακές συγκρούσεις σε συγκρούσεις βαρέων ιόντων, μπορεί επίσης να αποδώσουν».
[via]
