质子绝非简单的粒子——它们是夸克、胶子和量子纠缠相互旋绕的混沌漩涡。

科学家们利用这种纠缠现象开发了一个通用模型，用以解释粒子如何从高能碰撞中产生。他们的预测与过去的实验数据相吻合，未来的对撞机将对他们的理论进行最终检验，可能会重塑我们对核物理的理解。

透视质子内部

质子内部是物理学中最活跃但又最难捉摸的领域之一。在这个微小的粒子内部，夸克和胶子在不断变化的虚粒子海洋中相互作用。如今，科学家利用量子信息理论和量子纠缠的概念，开发了一种新的框架，以前所未有的清晰度描述了这些相互作用。

这一方法首次成功解释了所有现有实验的数据，这些数据涉及电子与质子之间深度非弹性碰撞中的次生粒子散射。这一突破由来自纽约布鲁克海文国家实验室（BNL）和史顿尼布鲁克大学（SBU）、墨西哥美洲普埃布拉大学（UDLAP）以及波兰克拉科夫科学院核物理研究所（IFJ PAN）的国际理论学家团队取得。

我们如何研究质子的内部结构？

“如果我们想了解质子内部发生的现象，首先必须以某种方式到达那里。目前，质子和电子之间的碰撞是实现这一目标的最佳方式，因为与质子相比，电子的体积要小得多，但最重要的是，电子是基本粒子，因此我们可以保证它们本身不会衰变成其他任何物质，”克日什托夫·库塔克（波兰核物理研究所）教授说道，他是《物理学进展报告》上所发表文章的作者之一。

夸克与胶子的海洋

质子不是基本粒子。简单来说，质子被认为是由三个价夸克（两个上夸克和一个下夸克）通过胶子“粘”在一起构成的，胶子是携带强相互作用的粒子。这些相互作用如此强大，以至于在质子内部，成对的虚拟夸克和反夸克（甚至像粲夸克一样重）以及成对的虚拟胶子（这些粒子互为反粒子，因此这是可能的）不断出现和消失。

质子中的量子纠缠

在本研究中，关键假设是，尽管质子的体积极小，但构成它的夸克和胶子（统称为部分子）存在量子纠缠。当某一物体的某一特征值对另一物体的变化产生反应时，我们称之为量子物体之间的纠缠，尽管事实上，关于变化的信息尚未通过任何在空间传播的载体在它们之间传递。

“在质子内部，纠缠发生在难以想象的极短距离内，即十亿分之一米或更短的距离内，并且是一种集体特征。正如我们在之前的出版物中所展示的，它影响的不仅仅是质子中的少数部分子，而是所有部分子，”马丁·亨钦斯基（UDLAP）教授说道。

高能碰撞的作用

当试图探索质子最大纠缠的内部结构时，一个电子击中了质子，这两个粒子之间就会发生电磁相互作用，其载体是光子。在深度非弹性碰撞中，交换光子的能量非常高，相关的电磁波开始“适应”质子内部并“观察”其内部结构的细节。

与光子相互作用后，质子会衰变，产生许多次级粒子。纠缠将在此处显现，即光子“注意到”的质子部分所释放的次级粒子数量将决定作为观测到的强子产生的粒子数量。

用熵测量纠缠

“我们就是这样得出熵的概念的，它在高度复杂系统的研究和量子信息研究中尤为重要。如果由于深度非弹性碰撞，我们能够获得质子中完整的纠缠信息，那么我们就可以说纠缠熵为零。

然而，穿透质子内部的光子‘看到’的只是质子内部的一部分，其余部分对它而言仍是隐藏的——这意味着纠缠熵不为零。因此我们得以便利地测量质子中的纠缠量，”德米特里·哈尔泽夫（SBU，BNL）教授解释道。

实验验证与数据分析

在该论文中，国际物理学家团队证明，基于纠缠熵可以预测电子-质子碰撞中产生的强子的熵。因此，质子中夸克和胶子的最大纠缠表现为无法确定特定碰撞中将产生多少粒子。这些预测结果已在汉堡DESY中心的HERA粒子加速器H1实验中于2006年至2007年进行的所有测量中得到验证，在该实验中，单个质子与电子的反粒子正电子发生碰撞。

“我们已经研究质子内部的纠缠态好几年了。虽然我们之前是通过对比特定测量会期的测量结果来验证我们的理论工作，但现在我们已经设法用单一的通用形式体系描述了所有实验深度非弹性散射熵数据，”周敦鸣图（BNL）博士强调说。

未来对撞机与新发现

参与该项目的物理学家团队预计，这种广义形式将使未来对撞机（如将于下个十年初在布鲁克海文国家实验室启动的电子-离子对撞机（EIC））的测量结果更容易、更准确地得到解释。在电子-离子对撞机中，电子不仅与单个质子发生碰撞，还与离子发生碰撞。将提出的理论方法与新的实验数据相结合，应该有助于解决现代核物理学中的重要问题。

核物理的新途径

“如今，我们有强有力的证据表明，我们考虑到纠缠熵的新形式主义并非与某种特定的核现象测量方式随机相关，而是确实具有解释所观测事件本质的能力。我们确信，通过研究纠缠熵，我们将能够更深入地了解强相互作用是如何将夸克和胶子束缚在质子中的，或者回答属于更大的原子核是如何影响单个质子的属性这一问题，”库塔克教授总结道。

参考文献：马丁·亨青斯基、德米特里·E·哈尔泽夫、克日什托夫·库塔克和涂周邓明于2024年12月2日在《物理学进展报告》上发表的“纠缠熵的量子色动力学演化”。DOI：10.1088/1361-6633/ad910b