Maksymalnie poplątane wnętrze protonu

Polak i Niemiec podrażnili wewnętrzną strukturę protonu, znajdując potwierdzenie, że wszystkie jego elementy pozostają ze sobą kwantowo splątane. I to tak ściśle, jak to tylko możliwe.

Rodzima fizyka ma ostatnimi czasy dobrą passę, jeżeli chodzi o problematykę stanu splątanego. Przecież dopiero co, w końcówce ubiegłego roku Tomasz Paterek z Uniwersytetu Gdańskiego wziął udział w szeroko komentowanym eksperymencie, podczas którego dwa kubity związano kwantowo z niesporczakiem. Minęło raptem kilka miesięcy, a polskie nazwisko wypływa w kontekście kolejnej interesującej publikacji, tym razem przedstawiającej “dowód na maksymalne splątanie wnętrza protonu”.

Artykuł pod szorstkim tytułem Evidence for the maximally entangled low x proton in Deep Inelastic Scattering from H1 data, wyszedł spod ręki dwóch uczonych: Martina Hentschinskiego z Universidad de las Américas oraz Krzysztofa Kutaka związanego z Uniwersytetem Jagiellońskim oraz Instytutem Fizyki Jądrowej PAN. (Jeśli kogoś dziwi egzotyczna, meksykańsko-polska mieszanka, doprecyzuję od razu, że zatrudniony przez uczelnię w Puebla Hentschinski jest w rzeczywistości rodowitym Niemcem. Obaj fizycy znają się jeszcze z czasów studiów doktoranckich, kończonych pod okiem Joachima Bartelsa w Hamburgu).

Patrząc na sam tytuł publikacji, można by pomyśleć, że stojąca za nim teza nie powinna brzmieć zbyt skomplikowanie. Proton – dodatnio naładowana cząstka, gnieżdżąca się w jądrze każdego atomu – kryje w sobie trzy mniejsze cegiełki nazywane kwarkami; a te najwyraźniej dzielą wspólny stan kwantowy w taki sposób, że szturchnięcie jednego wpływa na pozostałe. Tyle tylko, że: a) proton (jak również neutron i inne hadrony[1]) nie jest rodzajem pudełka z trzema kulkami, lecz skomplikowanym tyglem nieuchwytnych kwarków i gluonów zanurzonych w morzu cząstek wirtualnych; b) proton zawzięcie strzeże swego wnętrza i nie zezwala na wyrywanie i oglądanie pojedynczych kwarków; c) splątanie to wieloaspektowy efekt kwantowy, który zależnie od kontekstu może dotyczyć korelowania różnych wielkości fizycznych.

Wnętrze protonu
W przedszkolnym ujęciu proton składa się z dwóch kwarków górnych i jednego kwarka dolnego, wymieniających się gluonami. W rzeczywistości każdy hadron to wzburzone morze cząstek i fluktuacji, opisywanych przez teorię chromodynamiki kwantowej (QCD).

Owszem, brzmi to wszystko dość przerażająco. Dlatego właśnie, dla lepszego uchwycenia sedna przeprowadzonego eksperymentu, sięgnąłem do źródła i skontaktowałem się z bezpośrednio z Krzysztofem Kutakiem.

Punktem wyjścia dla sformułowanej hipotezy były badania prowadzone w akceleratorze przy niemieckim ośrodku DESY (niem. Deutsches Elektronen-Synchrotron) w Hamburgu. Uczestnicy grupy doświadczalnej H1 konfrontowali dodatnio naładowane protony z obdarzonymi ujemnym ładunkiem elektronami. Takim spotkaniom towarzyszą interakcje elektromagnetyczne, czyli wymiana fotonów, które mogą wnikać do wnętrza protonu i drażnić (również nieobojątne elektrycznie) kwarki oraz (pośrednio) sklejające je gluony. W większości przypadków taka kolizja kończy się rozczłonkowaniem protonu. Nie oznacza to jednak wysypu nagich kwarków – na takie bezeceństwa nie pozwala natura rządzącego w jądrach atomowych oddziaływania silnego[2] – lecz kreację nowych, wtórnych hadronów.

Fizycy cząstek są mistrzami w zbieraniu pozostałości po takich kolizjach i rekonstruowaniu na ich podstawie obrazu roztrzaskanych cząstek. W przypadku doświadczenia H1 liczba i rodzaj powstałych okruchów posłużył teoretykom do oszacowania entropii panującej wewnątrz rozbijanych protonów. Entropię tłumaczymy sobie zazwyczaj jako miarę nieuporządkowania danego układu, jednak w tym kontekście, sensowniej będzie myśleć o niej w kategorii konfiguracji kwarków i gluonów (nazywanych też zbiorczo partonami).

Dla dociekliwych: geneza pomysłu i wyniki oczami autora

Temat ciężki, więc poprosiłem o słowo komentarza samego współautora omawianej publikacji, prof. Krzysztofa Kutaka.

“W roku 2011 napisałem pracę o produkcji entropii w zderzeniu proton-proton i postawiłem hipotezę, że rozkład gluonów może mieć pewną entropię. Założyłem wtedy, że będzie to entropia taka, jak w termodynamice – nie jest to oczywiste. Wymieniłem kilka maili z Kharzeevem na ten temat. W swojej pierwszej pracy z 2017 Kharzeev i Levin[3] podali wzór na entropię splątania i zaproponowali hipotezę, wedle której proton można traktować jako stan splątany partonów – ograniczyli się do dominującego wkładu gluonów. Następna była publikacja eksperymentalna z wynikami pomiarów oraz próbą użycia ich wzorów. Jednak użyto rozkładów gluonów, które są w tzw. wiodącym rzędzie i nie są spójne z tym co zaproponowali Kharzeev i Levin. W następnej pracy Krarzeev i Levin stwierdzili już, że zamiast gluonów entropię protonu determinują kwarki i sporządzili opis danych. Jednak wzór, którego użyli okazał się błędny, a wyniki tylko przez przypadek zgadzały się z danymi.

My, po pierwsze, znaleźliśmy błąd w ich pracy (który był inspirujący) i ustaliliśmy, że kwarki dają tylko około 20% wkładu do entropii, a po drugie zrozumieliśmy że konieczne będzie wyliczenie entropii układu kwarków i gluonów, dlatego, że te cząstki nie stanowią układów izolowanych i należy wyliczyć entropię sumy rozkładów kwarków i gluonów. Porównaliśmy obliczenia z danymi i opisaliśmy dane. Tak więc nasze wyniki potwierdziły, że proton można uznać za stan splątany, tzn. posiadający entropię splątania. Poza tym uogólniliśmy model Levina i Kharzeeva: entropia ma wkład zarówno od kwarków, jak i gluonów.
 
Teraz wiemy, że entropia splątania nieobserwowanego obszaru protonu jest taka sama, jak entropia obserwowanego obszaru. Kwarki i gluony w tym nieobserwowanym obszarze, w wyniku zderzenia ulegają tzw. fragmentacji, czyli powstają z nich nowe hadrony. Jednak od zderzenia do zderzenia nie jesteśmy w stanie powiedzieć, ile hadronów wyprodukujemy. Splątanie oznacza tu więc, że obserwowana część protonu determinuje entropię nieobserwowanej części. Właśnie dlatego, że mamy maksymalne splątanie, nie jesteśmy w stanie powiedzieć, ile w konkretnym zderzeniu hadronów zostanie wyprodukowanych”.

Kluczowe jest to, że wnikające do protonu fotony penetrują tylko jego część (o rozmiarze zależnym od długości fali), w związku z czym możemy mówić o obserwowanym i nieobserwowanym obszarze protonu[4]. Trochę jak z jabłkiem oświetlonym blaskiem latarki, ale tylko wąską wiązką, z jednego kierunku. Jednak w odróżnieniu od jabłka, “oświetlenie” skrawka protonu wystarczy, aby natychmiast wpłynąć na wszystkie jego elementy. Prof. Kutak opisuje to w sposób następujący: “jeśli obserwacja przez foton części wnętrza protonu doprowadziła do jego rozpadu na pewną liczbę cząstek pochodnych – dajmy na to trzy – to liczba cząstek pochodzących z nieobserwowanej części protonu jest zdeterminowana przez liczbę cząstek zauważonych w obserwowanej części protonu”.

Wewnętrzne splątanie protonu
Foton penetruje fragment protonu, wpływając jednak na cały układ i determinując wyrzut cząstek wtórnych.

Co więcej, zdaniem fizyków otrzymane wyniki świadczą o maksymalnym splątaniu wnętrzności protonu. Ściślej mówiąc, rezultaty zderzeń dowodzą, że entropia nieobserwowanej części protonu jest całkowicie związana kwantowo z entropią obszaru, który oberwał fotonem. Gdyby splątanie okazało się niepełne lub nie występowałoby w ogóle, podobne kolizje kończyłyby się w sposób przewidywalny, np. każdorazowym wyrzutem czterech cząstek pochodnych. Tymczasem odnotowywano różne scenariusze rozpadu, występujące mniej więcej z równym prawdopodobieństwem. To swego rodzaju sygnatura świata kwantów: poszczególne elementy układu może i są ze sobą skorelowane, ale dopóki nie dojdzie do interakcji z którymkolwiek z nich, wszystkie pozostają zawieszone w stanie superpozycji. Oznacza to, że przed obserwacją każdy kwark i każdy gluon jest mieszaniną wszystkich dostępnych sobie możliwości. Wystarczy jednak, że foton ledwie przekroczy próg przedpokoju, żeby postawić wszystkich lokatorów na baczność i zmusić ich do przywdziania określonych stanów. Oczywiście, stany te będą uzależnione od tego co zrobi pierwszy pierwszy napotkany przez gościa domownik, a ten może mieć różne kaprysy.

Ostatnim wartym uwagi wnioskiem płynącym z pracy Hentschinskiego i Kutaka, jest spostrzeżenie, że to wcale nie kwarki są głównymi lub jedynymi składnikami splątanej układanki. Jeśli teoretycy mają rację, w intymny kwantowy związek uwikłane są wszystkie – wirtualne i niewirtualne – cząstki wewnątrz protonu, przy czym nawet za 80% obserwowanych rezultatów odpowiadały niepozorne gluony.

[+]
Zdefiniujmy świadomość Teleskopowe spojrzenie w przeszłość Ted Kaczynski i jego manifest – “Śmierć nauce”