过去质子-电子碰撞的数据为质子的夸克海(球体)和胶子海(波浪线)之间存在纠缠提供了强有力的证据，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

布鲁克海文实验室的研究人员发现质子内部的夸克和胶子存在纠缠，从而重塑了人们对质子结构的理解。

他们利用量子信息科学，通过碰撞数据验证了理论预测，为电子离子对撞机的研究铺平了道路。

利用量子科学探究质子内部

美国能源部布鲁克海文国家实验室的科学家及其合作者开发了一种探索质子内部运作的新方法。他们利用量子信息科学分析高能电子-质子碰撞的数据，绘制出质子内部量子纠缠如何塑造粒子轨迹。

他们的发现表明，夸克和胶子(构成质子结构的基本粒子)会经历量子纠缠。这种现象被爱因斯坦称为“鬼魅般的超距作用”，即使粒子分离，它们也可以共享有关其状态的信息，例如自旋方向。然而，在质子中，这种纠缠发生在惊人的小尺度上(不到千万亿分之一米)，并延伸到质子内的整个夸克和胶子群。

绘制纠缠影响图

该团队的最新论文于 12 月 2 日发表在《物理学进展报告》(ROPP)杂志上，总结了该团队六年的研究成果。它精确地描绘了纠缠如何影响稳定粒子的分布，这些稳定粒子在碰撞中释放的夸克和胶子聚结形成新的复合粒子后，以各种角度从粒子碰撞中出现。

这种关于夸克和胶子之间纠缠的新观点为质子内部结构的发展图景增添了一层复杂性。它或许还能为纠缠发挥作用的其他科学领域提供见解。

电子离子对撞机 (EIC) 的未来实验将揭示原子核如何影响质子内夸克和胶子的量子纠缠。图片来源：蒂芙尼·鲍曼/布鲁克海文国家实验室

质子结构的动态系统

“在我们进行这项工作之前，还没有人通过实验高能碰撞数据研究过质子内部的纠缠，”物理学家周敦明(孔)涂说道，他是该论文的共同作者，自 2018 年加入布鲁克海文实验室以来一直参与此次探索。“几十年来，我们一直传统地认为质子是夸克和胶子的集合，我们一直专注于理解所谓的单粒子特性，包括夸克和胶子在质子内部的分布情况。

“现在，有证据表明夸克和胶子之间存在纠缠，这一情况发生了变化。我们拥有一个更加复杂、动态的系统，”他说。“这篇最新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关系，有助于我们了解核物理中的其他复杂问题，包括作为较大原子核的一部分如何影响质子的特性。这将是电子-离子对撞机(EIC) 未来实验的重点之一，该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为 EIC 实验提供预测。

理论物理学家 Dmitri Kharzeev 是布鲁克海文国家实验室和石溪大学的联合任命者，他开发了基于量子信息科学的方程式，以预测夸克和胶子之间的纠缠将如何影响电子-质子碰撞产生的粒子的熵或无序性。图片来源：Kevin Coughlin/布鲁克海文国家实验室

理解熵和粒子碰撞

在这项研究中，科学家使用了量子信息科学的语言和方程式来预测纠缠将如何影响电子-质子碰撞产生的粒子流。这种碰撞是探测质子结构的一种常用方法，最近一次是在 1992 年至 2007 年期间在德国汉堡的强子-电子环加速器 (HERA) 粒子对撞机上进行的，并计划在未来的 EIC 实验中使用。

这种方法于 2017 年发表，由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 共同开发，Dmitri Kharzeev 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，那么可以从碰撞的熵或无序性中揭示出来。

“想象一下孩子凌乱的卧室，到处都是脏衣服和其他东西。在那个杂乱无章的房间里，熵非常高，”Tu 说道，并将其与他极其整洁的车库中的低熵情况进行了对比，车库里的每件工具都各归其位。

根据计算，质子与夸克和胶子的纠缠达到最大程度——“纠缠熵”很高——应该会产生大量分布“混乱”的粒子——熵值很高。

“对于夸克和胶子的最大纠缠态，有一个简单的关系可以让我们预测高能碰撞中产生的粒子的熵，”Kharzeev 说。“在我们的论文中，我们用实验数据测试了这种关系。”

物理学家周敦明(孔)涂自 2018 年以戈德哈伯研究员身份加入布鲁克海文国家实验室以来，一直在探索质子组成夸克和胶子之间纠缠的可能性。图片来源：凯文·考夫林/布鲁克海文国家实验室

通过数据分析测试预测

科学家们首先分析了欧洲大型强子对撞机质子-质子碰撞的数据，但他们也想看看电子-质子碰撞产生的“更干净”的数据。由于知道 EIC 启动还需要一段时间，Tu 加入了 HERA 实验合作项目之一，即 H1，该项目仍有一群退休物理学家偶尔开会讨论他们的实验。

涂教授与德国电子同步加速器 ( DESY )的 H1 现任联合发言人、物理学家斯蒂芬·施密特 (Stefan Schmitt) 合作了三年，挖掘旧数据。两人从 2006-2007 年记录的数据中整理出详细信息，包括粒子生成和分布如何变化，以及有关产生这些分布的碰撞的大量其他信息。他们公布了所有数据供其他人使用。

当物理学家将 HERA 数据与熵计算结果进行比较时，结果与预测完全吻合。这些分析，包括最新的ROPP结果，即粒子分布如何从碰撞点的不同角度发生变化，提供了强有力的证据，表明质子内部的夸克和胶子最大程度地纠缠在一起。

这些结果和方法有助于为 EIC 未来的实验奠定基础。

强力相互作用和突发现象

哈泽夫指出，夸克和胶子之间纠缠的揭示有助于我们了解它们之间强力相互作用的本质。这可能让我们进一步了解夸克和胶子为何被束缚在质子内，这是 EIC 将要探讨的核物理学核心问题之一。

他说：“强相互作用产生了大量夸克-反夸克对和胶子，从而导致了质子内部最大程度的纠缠。”

强力相互作用(夸克之间交换一个或多个胶子)发生在单个粒子之间。这听起来可能只是对纠缠最简单的描述，两个单独的粒子无论相距多远都能相互了解。但纠缠实际上是一种信息交换，是一种系统范围内的相互作用。

哈尔泽夫说：“纠缠不仅发生在两个粒子之间，也发生在所有粒子之间。”

复杂物理中的统计模型

现在科学家们已经有了探索这种集体纠缠的方法，量子信息科学的工具可以使核物理和粒子物理中的一些问题更容易理解。

“粒子碰撞可能极其复杂，有许多步骤会影响结果，”Tu 说。“但这项研究表明，一些结果，比如粒子出现的熵，是由碰撞前质子内部的纠缠决定的。熵并不‘关心’所有中间步骤的复杂性。所以也许我们可以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。”

在物理学的其他领域甚至日常生活中，思考整个系统而非单个粒子的集体行为是很常见的。例如，当你想到一壶沸水时，你并不知道每个水分子的振动运动。没有一个水分子会烫伤你。所有分子振动的统计平均值——它们的集体行为——产生了温度特性，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。

“当这么多粒子聚集在一起时，物理学的观点就会发生变化，”Tu 说道，并指出量子信息科学是描述整个系统统计或突发行为的工具。“这种方法可能有助于了解粒子纠缠如何导致群体行为，”Tu 说道。

探测原子核中的质子行为

现在科学家已经确认并验证了他们的模型，他们想以新的方式使用它。例如，他们想了解原子核如何影响质子。

“为了回答这个问题，我们不仅需要让电子与单个质子碰撞，还需要让电子与原子核(EIC 的离子)碰撞，”Tu 说。“使用相同的工具来观察嵌入原子核的质子的纠缠将非常有帮助，以了解它如何受到核环境的影响。”

将质子置于非常繁忙的核环境中，周围环绕着许多其他相互作用的质子和中子，会消除单个质子的纠缠吗?这种核环境会在所谓的量子退相干中发挥作用吗?

“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退相干——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，”Tu说。

“核环境对质子和中子的影响是 EIC 科学的核心，”该论文的共同作者、墨西哥普埃布拉美洲大学 (UDLAP) 的马丁·亨钦斯基 (Martin Hentschinski) 说。

波兰科学院的共同作者克日什托夫·库塔克补充道：“我们还想利用这个工具研究许多其他现象，以将我们对可见物质结构的理解推向新的前沿。”

参考文献：Martin Hentschinski、Dmitri E Kharzeev、Krzysztof Kutak 和 Zhoudunming Tu 撰写的“QCD 纠缠熵演化”，2024 年 12 月 2 日， 《物理学进展报告》。

这项研究由美国能源部科学办公室、欧盟“地平线 2020”研究与创新计划、UDLAP Apoyos VAC 2024 和布鲁克海文实验室的实验室指导研究与开发计划资助。