质子内部存在量子纠缠?为什么夸克不会单独出现?

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质子是复杂的,亚原子粒子本身由称为夸克和胶子的较小粒子组成。现在,来自大型强子对撞机的数据表明质子的成分不是独立的。三位物理学家在《arXiv》发表的一篇论文中指出了这项研究的结果:称为纠缠的量子链受到约束。

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先前已经在比质子更大的规模上研究了量子纠缠。在实验中,彼此缠绕的颗粒似乎瞬间相互作用。尽管科学家怀疑质子内部存在纠缠,但这种现象的迹象尚未在实验中证明直径约为万亿分之一的粒子。

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根据阿姆斯特丹自由大学的理论物理学家Piet Mulders的说法,我们的想法是,这是一个量子力学粒子,如果你向内看,它本身就是纠缠在一起的。在这项新的研究中,该团队分析了日内瓦大型强子对撞机加速到高速并剧烈碰撞的质子碰撞。利用CMS实验的数据,研究人员研究了质子内部纠缠产生的熵。熵是一种属性,它取决于系统在微观层面上呈现的状态数。类比是一副牌:有多种洗牌,只有一种牌,所以洗牌的熵更高。

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结合质子包含称为夸克和胶子的较小粒子(如图),实验数据表明量子纠缠将粒子相互连接。图片:SCIFYSHUTTERSTOCK

如果质子内部存在纠缠,那么这些关联将产生额外的熵。可以通过计算每次碰撞产生的颗粒数量来获得该熵。物理学家在研究论文中报道,发现的熵与假设的夸克和胶子的预期值一致。目前,该论文正在等待同行评审,然后在期刊上发表。德国海德堡大学的理论物理学家Stefan Floerchinger说:纠缠的迹象尚未确定。为了最终确定纠缠,需要进行严格的测试以排除其他可能的解释。相反,研究人员的研究“更像是打开一扇门”,并可能导致进一步的研究,澄清质子的内部物理学。

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纽约石溪大学理论物理学家Dmitri Kharzeev是该研究的共同作者之一,他说:未来研究可以解决的挑战之一就是为什么夸克总是局限于更大的粒子而且从不单独出现。这种限制是“纠缠的最终例证”。夸克“不能孤立存在,并且总是与他们的同伴联系在一起。虽然夸克的这种性质是众所周知的,但没有基本的数学解释.Kharzeev希望研究质子中的量子纠缠可以帮助解释这个问题。