Wanneer een hoogenergetisch foton een proton raakt, divergeren secundaire deeltjes op een manier die aangeeft dat de binnenkant van het proton maximaal verstrengeld is. Een internationaal team van natuurkundigen met deelname van het Instituut voor Kernfysica van de Poolse Academie van Wetenschappen in Krakau heeft zojuist aangetoond dat maximale verstrengeling aanwezig is in het proton, zelfs in die gevallen waarin pomerons betrokken zijn bij de botsingen.

Achttien maanden geleden werd aangetoond dat verschillende delen van het binnenste van het proton maximaal kwantumverstrengeld met elkaar moeten zijn. Dit resultaat, bereikt met de deelname van prof. Krzysztof Kutak van het Instituut voor Kernfysica van de Poolse Academie van Wetenschappen (IFJ PAN) in Krakau en prof. Martin Hentschinski van de Universidad de las Americas Puebla in Mexico, was het gevolg van overwegingen en observaties van botsingen van hoogenergetische fotonen met quarks en gluonen in protonen en ondersteunden de hypothese die een paar jaar eerder werd gepresenteerd door de professoren Dimitri Kharzeev en Eugene Levin.

Nu, in een artikel gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters heeft een internationaal team van natuurkundigen een aanvullende analyse gepresenteerd van verstrengeling voor botsingen tussen fotonen en protonen waarin secundaire deeltjes (hadrons) worden geproduceerd door een proces dat diffractieve diepe inelastische verstrooiing wordt genoemd. De hoofdvraag was:komt er in deze gevallen ook verstrengeling tussen quarks en gluonen voor, en zo ja, is deze ook maximaal?

Simpel gezegd spreken natuurkundigen van verstrengeling tussen verschillende kwantumobjecten wanneer de waarden van een bepaald kenmerk van deze objecten met elkaar verband houden. Kwantumverstrengeling wordt in de klassieke wereld niet waargenomen, maar de essentie ervan kan gemakkelijk worden verklaard door het opgooien van twee munten. Elke munt heeft twee kanten, en als hij valt, kan hij met dezelfde waarschijnlijkheid een van de twee elkaar uitsluitende waarden aannemen (kop of munt).

We zouden te maken hebben met de analogie van kwantumverstrengeling als we, wanneer we tegelijkertijd twee munten opgooien, altijd óf slechts twee verschillende resultaten (kop en munt) óf twee identieke resultaten (twee kop of twee munt) verkrijgen. Hier zou de verstrengeling maximaal zijn omdat geen enkele waarde de voorkeur zou krijgen; de kans dat een munt kop of munt is, zou nog steeds 50% zijn. Als de verstrengeling niet maximaal zou zijn, zou de situatie anders zijn.

We zouden niet altijd dezelfde twee combinaties waarnemen, maar soms ook de andere.

"In de kernfysica kan het bestaan ​​van een maximale verstrengelingstoestand worden gezien in experimentele gegevens als we ernaar kijken; we weten dat... we weten niets. Bij bepaalde botsingen van een elektron met een proton, genaamd diepe inelastische verstrooiing, kan het proton valt volledig uiteen, en er ontstaan ​​veel deeltjes die onderhevig zijn aan sterke interacties – de zogenaamde hadronen –. We hebben dan te maken met een maximaal verstrengelde toestand van het proton wanneer we niet kunnen voorspellen hoeveel hadronen er bij een bepaalde botsing zullen ontstaan,’ zegt prof. . Kutak legt het uit.

Eerdere studies naar de maximale verstrengeling van het inwendige van het proton hadden betrekking op het bovengenoemde geval, waarbij hadronen werden geproduceerd in de diepe inelastische verstrooiing van een elektron en een proton. Dergelijke reacties zijn gemakkelijk te herkennen in experimenten, omdat ze ertoe leiden dat secundaire deeltjes in vrijwel alle richtingen divergeren (dat wil zeggen, die waarbij de primaire richting van de protonbeweging betrokken is).

‘Het is echter bekend dat grofweg elke tiende botsing anders verloopt:achter het botspunt zijn in bepaalde hoekintervallen helemaal geen deeltjes te zien. Het zijn juist zulke processen die we diffractie of exclusieve productie noemen, en die vinden plaats aan de centrum van ons huidige onderzoek naar kwantumverstrengeling”, voegt prof. Kutak toe.

De productie in het diepe inelastische proces is het resultaat van de interactie van een foton met partonen (quarks en gluonen) in een proton. In het geval van diffractieve productie interageert het foton ook met een parton in het proton, maar dan een parton dat deel uitmaakt van een grotere structuur die een pomeron wordt genoemd.

Het belangrijkste kwantumkenmerk van gluonen is hun kleur (die niets te maken heeft met kleur zoals we die in het dagelijks leven kennen, afgezien van de naam). Secundaire deeltjes, waargenomen in detectoren als gevolg van botsingen, zijn het resultaat van processen waarbij quarks en gluonen in een proton hun kleurlading uitwisselen. Gluonen kunnen echter gebonden toestanden vormen die pomerons worden genoemd, waarbij de kleur wederzijds wordt geneutraliseerd.

Wanneer bij een botsing tussen een foton en een parton blijkt dat het parton deel uitmaakte van een pomeron, zal de botsing geen hadronen opleveren die divergeren over het volledige hoekbereik dat door de detectoren wordt bestreken. In plaats daarvan zullen sommige detectoren, die theoretisch in staat zijn om de deeltjes te zien die tijdens de betreffende botsingsfase worden geproduceerd, stil blijven.

Het internationale team van natuurkundigen kon aantonen dat er bij botsingen met pomerons ook binnen het proton een toestand ontstaat waarin alle deeltjes maximaal verstrengeld zijn. Er is echter een verschil met de eerder geanalyseerde gevallen:wanneer het om pomerons gaat, treedt de maximale verstrengeling op bij iets hogere energie.

Het huidige onderzoek vormt een aanvulling op onze eerdere kennis over het verloop van gebeurtenissen tijdens botsingen tussen fotonen en protonen. Dankzij dit kan nu worden gezegd dat maximale verstrengeling een universeel fenomeen is in deze processen, aanwezig in beide secundaire deeltjesproductiemechanismen die ons bekend zijn.

"Ons resultaat heeft niet alleen theoretische, maar ook praktische betekenis. Een dieper begrip van hoe een maximaal verstrengelde toestand binnen het proton wordt gevormd, zal een betere interpretatie mogelijk maken van de resultaten van toekomstige deeltjesbotsers zoals de Electron-Ion Collider, " concludeert prof. Kutak

Meer informatie: Martin Hentschinski et al, Onderzoek naar het begin van maximale verstrengeling binnen het proton bij diffractieve, diepe inelastische verstrooiing, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.241901

Journaalinformatie: Fysieke beoordelingsbrieven

Aangeboden door de Poolse Academie van Wetenschappen