物理学重大发现！质子内部存狂野量子世界，或改变对物质本质认知

质子远非简单的粒子——它们是夸克、胶子和量子纠缠的旋转大锅。科学家们利用这种纠缠开发了一个通用模型来解释粒子如何从高能碰撞中出现。他们的预测与过去的实验数据一致，未来的对撞机将对他们的理论进行终极测试，可能会重塑我们对核物理学的理解。

质子的内部是物理学中最动态但最难以捉摸的领域之一。在这个微小的粒子中，夸克和胶子在不断变化的虚拟粒子海洋中相互作用。现在，利用量子信息理论和量子纠缠的概念，科学家们开发了一个新的框架，以前所未有的清晰度描述这些相互作用。

这种方法首次成功地解释了所有可用实验的数据，这些数据涉及电子和质子之间的深度非弹性碰撞中二次粒子的散射。这一突破来自纽约布鲁克海文国家实验室 （BNL） 和石溪大学 （SBU）、墨西哥美洲普埃布拉大学 （UDLAP） 以及克拉科夫波兰科学院核物理研究所 （IFJ PAN） 的国际理论家团队。

如果我们想了解质子内部发生的现象，我们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最好的方法，因为质子不仅体积比质子小得多，而且最重要的是，它们是基本粒子，因此我们可以保证它们本身不会衰变成其他任何东西。

质子不是基本粒子。用最简单的术语来说，它被假设由三个价夸克（两个向上和一个向下）组成，这些夸克通过胶子“粘在一起”，即携带强相互作用的粒子。这些相互作用是如此强大，以至于在质子内部，成对的虚拟夸克和反夸克（甚至和魅力一样大）和成对的虚拟胶子（这是可能的，因为这些粒子彼此是反粒子）不断出现和消失。

在这里描述的研究中，关键的假设是，尽管质子的体积极小，但构成质子的夸克和胶子（统称为 parton）是量子纠缠的。当一个物体的特征值对其在另一个物体中的变化做出反应时，我们就说量子物体之间的纠缠，尽管有关变化的信息还没有时间通过任何通过太空运输的载体在它们之间传输。

在质子内部的情况下，纠缠发生在难以想象的一千万亿米或更短的距离上，是一个集体特征。正如在早期出版物中所表明的那样，它影响的不是少数，而是质子中的所有部分。

当试图探索质子的最大纠缠内值时，电子撞击它时，两个粒子之间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，以至于相关的电磁波开始“适应”质子内部并“看到”其内部结构的细节。

由于与光子的相互作用，质子可以衰变，产生许多次级粒子。纠缠在这里表现为这样一个事实，即从光子“注意到”的质子部分发射的二次粒子的数量将决定将作为观察到的强子产生的粒子的数量。

这就是我们得出熵概念的方式，这在高度复杂系统和量子信息的研究中尤为重要。如果多亏了深度非弹性碰撞，我们能够获得质子中的完整纠缠信息，那么我们可以说纠缠熵为零。

然而，穿透质子内部的光子只能“看到”质子内部的一部分，其余部分对质子内部保持隐藏状态——这意味着纠缠熵不为零。因此，我们可以方便地测量质子中的纠缠量。

在这篇论文中，国际物理学家团队证明，根据纠缠熵，可以预测电子-质子碰撞中产生的强子熵。因此，夸克和胶子在质子中的最大纠缠表现为无法确定在特定碰撞中将产生多少粒子。这些预测现在已经被 2006-2007 年在汉堡 DESY 中心的 HERA 粒子加速器的 H1 实验中进行的 H1 实验的所有测量变体所验证，其中单个质子与电子的反粒子正电子碰撞。

几年来，我们一直在研究质子内部的纠缠。虽然我们通过面对特定测量过程的测量结果来验证我们之前的理论工作，但我们现在已经设法在一个通用形式中描述了所有实验性的深度非弹性散射熵数据。

参与该项目的物理学家团队预计，正是广义的形式主义将能够更轻松、更准确地解释未来对撞机的测量结果，例如将于下十年初在布鲁克海文实验室推出的电子离子对撞机 （EIC）。在这里，电子不仅会与单个质子碰撞，还会与离子碰撞。结合新的实验数据，所提出的理论方法应该有助于解开现代核物理学中的重要问题。

今天，我们有强烈的迹象表明，我们考虑纠缠熵的新形式主义并不是与测量核现象的某种特定方法随机相关，而是具有解释观察到的事件性质的真正能力。我们相信，通过研究纠缠熵，我们将能够更好地了解强相互作用如何结合质子中的夸克和胶子，或者回答属于更大原子核如何影响单个质子特性的问题。