Półtora roku temu odkryto, że różne części wnętrza protonu muszą być ze sobą kwantowo maksymalnie splątane. Wynik ten, osiągnięty przy współudziale prof. Krzysztofa Kutaka z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie oraz prof. Martina Hentschinskiego z Universidad de las Americas Puebla, był konsekwencją rozważań i obserwacji dotyczących zderzeń wysokoenergetycznych fotonów z kwarkami i gluonami w protonach i potwierdził hipotezę zaprezentowaną kilka lat wcześniej przez profesorów Dimitriego Kharzeeva oraz Eugene'a Levina.

Teraz, w artykule opublikowanym w czasopiśmie „Physical Review Letters”, międzynarodowy zespół fizyków zaprezentował dopełniającą analizę splątania, dotyczącą przypadków zderzeń fotonów z protonami, w których cząstki wtórne (hadrony) są wytwarzane w procesie nazywanym produkcją dyfrakcyjną. Główne pytanie brzmiało: czy i w tych przypadkach wśród kwarków i gluonów protonu pojawia się splątanie, a jeśli tak, czy także jest maksymalne?

O splątaniu różnych obiektów kwantowych fizycy mówią wtedy, gdy wartości jakiejś cechy tych obiektów są powiązane. Splątania kwantowego nie obserwujemy w klasycznym świecie, lecz jego istotę łatwo wytłumaczyć za pomocą rzutów dwiema monetami. Każda moneta ma dwie strony i gdy upadnie, może z tym samym prawdopodobieństwem przyjąć jedną z dwóch wzajemnie się wykluczających wartości: orła lub reszkę. Z korelacją podobną do splątania kwantowego mielibyśmy do czynienia, gdybyśmy rzucając jednocześnie dwiema momentami na końcu zawsze otrzymywali wyłącznie dwa różne stany (orła i reszkę) albo dwa identyczne (dwa orły bądź dwie reszki). Splątanie miałoby tu wartość maksymalną, ponieważ żadna wartość nie byłaby faworyzowana: prawdopodobieństwo, że dana moneta znajdzie się w stanie reszka lub orzeł nadal wynosiłoby 50%. Gdyby korelacja lub splątanie nie było maksymalne, sytuacja wyglądałaby inaczej i czasami zamiast dwóch kombinacji stanów obserwowalibyśmy także pozostałe.

„W fizyce jądrowej istnienie maksymalnego splątania widać w danych eksperymentalnych wtedy, gdy patrząc na nie wiemy, że... nic nie wiemy. Mniej żartobliwie należałoby powiedzieć, że ze stanami maksymalnie splątanymi mamy do czynienia, gdy nie potrafimy przewidzieć, ile hadronów – cząstek wtórnych oddziałujących silnie – powstanie w danym zderzeniu”, wyjaśnia prof. Kutak.

Wcześniejsze badania nad maksymalnym splątaniem wnętrza protonu miały związek z sytuacjami, gdy hadrony były wytwarzane w procesach zwanych zderzeniami głęboko nieelastycznymi. W eksperymentach łatwo te przypadki dostrzec, ponieważ cząstki wtórne rozbiegają się praktycznie we wszystkich kierunkach „do przodu” (czyli tych z udziałem pierwotnego kierunku ruchu protonu).

„Wiadomo jednak, że mniej więcej co dziesiąte zderzenie zachodzi inaczej: za punktem zderzenia w pewnych przedziałach kątowych w ogóle nie widać cząstek. Właśnie takie procesy nazywamy produkcją dyfrakcyjną i to one znalazły się w centrum naszych obecnych badań nad splątaniem kwantowym”, uzupełnia prof. Kutak.

Produkcja w procesie zderzenia głęboko nieelastycznego jest efektem interakcji fotonu z partonami (kwarkami i gluonami) w protonie. W przypadku produkcji dyfrakcyjnej foton także oddziałuje w protonie z partonem, ale takim, który jest częścią większej struktury, przez fizyków określanej mianem pomeronu.

Najważniejszą cechą kwantową gluonów jest kolor (z kolorem znanym z codzienności niemający nic wspólnego prócz nazwy). Cząstki wtórne, obserwowane w detektorach jako efekt zderzenia, są rezultatem procesów, w których kwarki i gluony w protonie wymieniają się ładunkiem koloru. Jednak gluony mogą tworzyć chwilowe kompleksy nazywane pomeronami, gdzie kolor jest wzajemnie neutralizowany. Gdy w trakcie zderzenia fotonu z partonem okaże się, że parton był częścią pomeronu, zderzenie nie doprowadzi do wyprodukowania hadronów rozbiegających się w pełnym zakresie kątowym pokrywanym przez detektory. Oznacza to, że część detektorów, teoretycznie zdolnych zobaczyć cząstki produkowane w omawianej fazie zderzenia, pozostanie milcząca.

Międzynarodowy zespół fizyków zdołał właśnie wykazać, że w trakcie zderzeń z udziałem pomeronów także tworzy się we wnętrzu protonu stan, w którym wszystkie cząstki są maksymalne splątanie. W stosunku do wcześniej analizowanych przypadków widać jednak pewną różnicę: gdy do akcji wkraczają pomerony, maksymalne splątanie pojawia się nieco później.

Obecne badania są dopełnieniem dotychczasowej wiedzy o przebiegu wydarzeń podczas zderzeń fotonów z protonami. Dzięki nim można dziś powiedzieć, że maksymalne splątanie jest w tych procesach zjawiskiem uniwersalnym, obecnych w obu znanych nam mechanizmach produkcji cząstek wtórnych.

„Nasz rezultat ma znaczenie nie tylko teoretyczne, ale także praktyczne. Głębsze zrozumienie sposobu, w jaki we wnętrzu protonu formuje się stan maksymalnie splątany, pozwoli bowiem na lepszą interpretację wyników z przyszłych zderzaczy cząstek, takich jak Electron-Ion Collider”, podsumowuje prof. Kutak.

Po stronie polskiej badania zostały sfinansowane ze środków europejskiego projektu STRONG- 2020 oraz grantu polsko-amerykańskiej Fundacji Kościuszkowskiej.