过去质子-电子碰撞的数据提供了质子的夸克（球体）和胶子（波浪线）海之间纠缠的有力证据，这可能在它们的强力相互作用中发挥重要作用。图片来源：Valerie Lentz/布鲁克海文国家实验室

美国能源部 （DOE） 布鲁克海文国家实验室 （Brookhaven National Laboratory） 的科学家和合作者有了一种新方法，可以使用高能粒子粉碎的数据来观察质子内部。他们的方法使用量子信息科学来绘制来自电子-质子碰撞的粒子轨迹流如何受到质子内部量子纠缠的影响。

结果表明，夸克和胶子是构成质子结构的基本组成部分，受到所谓的量子纠缠的影响。这种古怪的现象被阿尔伯特·爱因斯坦 （Albert Einstein） 著名的描述为“远距离的幽灵般的动作”，它认为粒子可以知道彼此的状态，例如，它们的自旋方向，即使它们相距很远。

在这种情况下，纠缠发生在极短的距离上——在单个质子内部不到一千万亿米——并且信息共享延伸到该质子中的整个夸克和胶子组。

该团队的最新论文刚刚发表在《物理学进展报告》（Reports on Progress in Physics）上，总结了该小组六年的研究工作。它精确地描绘了纠缠如何影响在碰撞中释放的夸克和胶子聚结形成这些新的复合粒子后，从粒子粉碎中以不同角度出现的稳定粒子的分布。

这种夸克和胶子之间纠缠的新观点为质子内部结构不断发展的图景增加了一层复杂性。它还可能提供对纠缠发挥作用的其他科学领域的见解。

“在我们做这项工作之前，没有人在实验高能碰撞数据中研究过质子内部的纠缠，”物理学家 Zhoudunming （Kong） Tu 说，他是该论文的合著者，也是自 2018 年加入布鲁克海文实验室以来这项探索的合作者。

“几十年来，我们一直将质子视为夸克和胶子的集合，我们一直专注于了解所谓的单粒子特性，包括夸克和胶子在质子内部的分布方式。

“现在，有证据表明夸克和胶子是纠缠的，情况已经发生了变化。我们有一个更复杂、更动态的系统，“他说。“这篇最新的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可以深入了解核物理学中的其他复杂问题，包括成为更大原子核的一部分如何影响质子特性。

这将是电子离子对撞机 （EIC） 未来实验的重点之一，EIC 是一个核物理研究设施，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使 EIC 实验的预测成为可能。

在这项研究中，科学家们使用量子信息科学的语言和方程来预测纠缠应该如何影响从电子-质子碰撞流出的粒子。这种碰撞是探测质子结构的常用方法，最近一次是 1992 年至 2007 年在德国汉堡的强子-电子环加速器 （HERA） 粒子对撞机上，并计划用于未来的 EIC 实验。

这种方法于 2017 年发表，由隶属于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 开发，他是该论文的合著者。这些方程预测，如果夸克和胶子纠缠在一起，这可以从碰撞的熵或无序中揭示出来。

“想想孩子的卧室，到处都是洗衣房和其他东西。在那个杂乱无章的房间里，熵非常高，“Tu 说，并将其与他极其整洁的车库的低熵情况形成对比，那里每个工具都在其位置上。

根据计算，具有最大纠缠夸克和胶子的质子——高度的“纠缠熵”——应该产生大量具有“凌乱”分布的粒子——高度的熵。

“对于夸克和胶子的最大纠缠状态，有一个简单的关系，使我们能够预测高能碰撞中产生的粒子的熵，”Kharzeev 说。“在我们的论文中，我们使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的质子-质子碰撞数据，但他们也想看看电子-质子碰撞产生的“更干净”的数据。Tu 知道 EIC 还需要一段时间才能启动，因此加入了 HERA 实验合作项目之一，即 H1，该合作项目仍然有一群退休的物理学家偶尔开会讨论他们的实验。

Tu 与物理学家 Stefan Schmitt 合作了三年，Stefan Schmitt 是德国电子同步加速器 （DESY） H1 的现任联合发言人，以挖掘旧数据。这对夫妇对 2006-2007 年记录的数据中的详细信息进行了编目，包括粒子的产生和分布如何变化，以及有关产生这些分布的碰撞的广泛其他信息。他们发布了所有数据供其他人使用。

当物理学家将 HERA 数据与熵计算进行比较时，结果与预测完全吻合。这些分析，包括关于粒子分布如何从碰撞点以不同角度变化的最新 ROPP 结果，提供了强有力的证据，证明质子内部的夸克和胶子是最大纠缠的。

结果和方法有助于为 EIC 的未来实验奠定基础。

电子离子对撞机 （EIC） 的未来实验将揭示处于原子核中如何影响质子内夸克和胶子之间的量子纠缠。图片来源：Tiffany Bowman/布鲁克海文国家实验室

Kharzeev 指出，夸克和胶子之间纠缠的揭示揭示了它们强力相互作用的性质。它可能会为是什么使夸克和胶子局限在质子内提供更多见解，这是 EIC 将探讨的核物理学的核心问题之一。

“质子内部的最大纠缠是产生大量夸克-反夸克对和胶子的强烈相互作用的结果，”他说。

强力相互作用（夸克之间一个或多个胶子的交换）发生在单个粒子之间。这听起来就像对纠缠的最简单描述，其中两个单独的粒子可以相互了解，无论它们相距多远。但是纠缠，即真正的信息交换，是一种系统范围的交互。

“纠缠不仅发生在两个粒子之间，而且发生在所有粒子之间，”Kharzeev 说。

既然科学家们有办法探索这种集体纠缠，量子信息科学的工具可以使核物理学和粒子物理学中的一些问题更容易理解。

“粒子碰撞可能非常复杂，有许多步骤会影响结果，”Tu 说。“但这项研究表明，一些结果，比如出现的粒子的熵，是由质子碰撞前的纠缠决定的。

“Entropy 并不'关心'所有中间步骤的复杂性。因此，也许我们可以使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。

考虑整个系统的集体行为而不是单个粒子在物理学的其他领域甚至日常生活中都很常见。例如，当你想到一锅开水时，你并不真正了解每个水分子的振动运动。没有一个水分子可以灼伤你。

是所有分子振动的统计平均值——它们的集体组合行为——产生了温度的性质并使水感觉很热。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。

“当你有这么多粒子在一起时，物理学的观点会发生变化，”Tu 说，并指出量子信息科学是描述整个系统的统计或紧急行为的工具。“这种方法可能有助于深入了解粒子的纠缠如何导致群体行为，”Tu 说。

现在，科学家们已经确认并验证了他们的模型，他们希望以新的方式使用它。例如，他们想了解处于原子核中如何影响质子。

“要回答这个问题，我们不仅需要将电子与单个质子发生碰撞，还需要与原子核（EIC 的离子）发生碰撞，”Tu 说。“使用相同的工具来观察嵌入原子核的质子中的纠缠，了解它如何受到核环境的影响，这将非常有帮助。”

将质子置于被许多其他相互作用的质子和中子包围的非常繁忙的核环境中，会消除单个质子的纠缠吗？这种核环境能否在所谓的量子退相干中发挥作用？

Tu 说：“观察核环境中的纠缠肯定会告诉我们更多关于这种量子行为的信息——它如何保持相干或变得非相干——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，”来自墨西哥普埃布拉美洲大学 （UDLAP） 的论文合著者 Martin Hentschinski 说。

波兰科学院的合著者 Krzysztof Kutak 补充说：“我们还想使用这个工具来研究许多其他现象，以将我们对可见物质结构的理解推向一个新的前沿。

更多信息：Martin Hentschinski 等人，纠缠熵的 QCD 演化，物理学进展报告（2024 年）。DOI： 10.1088/1361-6633/ad910b

期刊信息： Reports on Progress in Physics