L’interno dei protoni è al massimo entangled

di The Henryk Niewodniczanski Institute of Nuclear Physics Accademia polacca delle scienze

Se un fotone trasporta troppa poca energia, non si adatta all’interno di un protone (a sinistra). Un fotone con un’energia sufficientemente elevata è così piccolo che vola all’interno di un protone, dove “vede” parte del protone (a destra). Il massimo entanglement diventa quindi visibile tra le aree “viste” e “non viste”. Crediti: IFJ PAN

È stato dimostrato da scienziati messicani e polacchi che frammenti dell’interno di un protone mostrano il massimo entanglement quantistico. La scoperta, già confrontata con dati sperimentali, lascia supporre che per alcuni aspetti la fisica dell’interno di un protone possa avere molto in comune non solo con noti fenomeni termodinamici, ma anche con la fisica dei… buchi neri .

Vari frammenti dell’interno di un protone devono essere al massimo impigliati tra loro, altrimenti le previsioni teoriche non sarebbero d’accordo con i dati raccolti negli esperimenti, è stato mostrato in Giornale fisico europeo C.. Il modello teorico (che estende la proposta originale dei fisici Dimitri Kharzeev e Eugene Levin) permette di supporre che, contrariamente a quanto si crede, la fisica che opera all’interno dei protoni possa essere correlata a concetti come entropia o temperatura, che a loro volta possono riguardare a oggetti esotici come i buchi neri. Gli autori della scoperta sono il dott. Martin Hentschinski dell’Universidad de las Americas Puebla in Messico e il dott. Krzysztof Kutak dell’Istituto di Fisica Nucleare dell’Accademia Polacca delle Scienze (IFJ PAN) a Cracovia, Polonia.

I teorici messicano-polacchi hanno analizzato la situazione in cui gli elettroni vengono sparati contro i protoni. Quando un elettrone in arrivo che trasporta una carica elettrica negativa si avvicina a un protone caricato positivamente, interagisce con esso elettromagneticamente e devia il suo percorso. L’interazione elettromagnetica significa che un fotone è stato scambiato tra l’elettrone e il protone. Più forte è l’interazione, maggiore è la variazione della quantità di moto del fotone e quindi più breve è l’onda elettromagnetica associata.

“Se un fotone è ‘corto’ abbastanza da ‘entrare’ all’interno di un protone, inizia a ‘risolvere’ i dettagli della sua struttura interna. Il risultato dell’interazione con questo tipo di fotone può essere il decadimento del protone in particelle. Abbiamo mostrato che c’è entanglement tra le due situazioni.Se l’osservazione da parte del fotone della parte interna del protone porta al suo decadimento in un numero di particelle, diciamo tre, allora il numero di particelle originate dalla parte non osservata del protone è determinato dal numero di particelle viste nella parte osservata del protone”, spiega il dott. scatola.

Possiamo parlare di entanglement quantistico di vari oggetti quantistici, se determinate caratteristiche degli oggetti sono correlate tra loro in un modo particolare. L’analogia classica del fenomeno può essere rappresentata dal lancio di una moneta. Assumiamo che un oggetto sia un lato della medaglia e l’altro oggetto sia l’altro lato. Quando lanciamo una moneta, c’è la stessa probabilità che la moneta esca testa o croce a faccia in su. Se esce testa a testa, sappiamo per certo che l’altro lato è croce. Si può quindi parlare di entanglement massimo poiché la probabilità che determina il valore di una caratteristica di un oggetto non favorisce alcun valore possibile: abbiamo il 50% di probabilità di testa e lo stesso per croce. Un entanglement inferiore al massimo si verifica quando la probabilità inizia a favorire uno dei possibili esiti in misura maggiore o minore.

“Il nostro studio mostra che l’interno di un protone visto da un fotone di passaggio deve essere entangled con la parte invisibile proprio in questo modo massimale, come suggerito da Kharzeev e Levin. In pratica, questo significa che non abbiamo alcuna possibilità di prevedere se, a causa all’interazione con il fotone, il protone decade in tre, quattro o qualsiasi altro numero di particelle”, spiega il dott. Hentschinski

Le nuove previsioni teoriche sono già state verificate. Se l’entanglement all’interno del protone non fosse massimo, ci sarebbero discrepanze tra i calcoli teorici e i risultati dell’esperimento H1 all’acceleratore HERA presso il centro DESY di Amburgo, dove i positroni (cioè le antiparticelle degli elettroni) sono stati scontrati con i protoni fino al 2007. Tali discrepanze non sono state osservate.

Il successo del tandem polacco-messicano è dovuto al fatto che i ricercatori sono riusciti a identificare correttamente i fattori per il massimo entanglement dell’interno del protone.

Nella visione ingenua del libro di scuola, il protone è un sistema di tre particelle elementari: due quark up e uno quark down. Tuttavia, le forti interazioni tra questi quark, trasportati dai gluoni, possono essere così forti da portare alla creazione di coppie virtuali particella-antiparticella. Queste possono essere non solo coppie di gluoni virtuali (che sono le loro stesse antiparticelle), ma anche coppie composte da qualsiasi quark e la sua antiparticella corrispondente (anche una massiccia come charm). Tutto ciò significa che all’interno del protone, a parte tre quark di valenza, ci sono costantemente mari ‘bollenti’ di gluoni virtuali e quark e antiquark virtuali.

“In pubblicazioni precedenti, i fisici che si occupavano dell’argomento presumevano che la fonte dell’entanglement dovesse essere un mare di gluoni. Successivamente, sono stati fatti tentativi per dimostrare che quark e antiquark sono la fonte dominante di entanglement, ma anche qui i metodi proposti di descrizione fatta Nel frattempo, secondo il nostro modello, verificato dal confronto con dati sperimentali, il mare dei gluoni virtuali è responsabile di circa l’80% dell’entanglement, mentre il mare dei quark virtuali e degli antiquark è responsabile del restante 20% ”, sottolinea il dott. scatola.

Più recentemente, i fisici quantistici hanno associato l’entropia allo stato all’interno di un protone. Questa è una quantità ben nota dalla termodinamica classica, dove viene utilizzata per misurare il grado di movimento disordinato delle particelle in un sistema analizzato. Si presume che quando un sistema è disordinato, abbia un’elevata entropia, mentre un sistema ordinato ha una bassa entropia. È stato recentemente dimostrato che nel caso del protone si può parlare con successo di entropia di entanglement. Tuttavia, molti fisici hanno considerato il protone come uno stato quantistico puro in cui non si dovrebbe parlare affatto di entropia. La coerenza del modello messicano-polacco con l’esperimento è un argomento forte a sostegno del fatto che il concetto di entanglement all’interno del protone proposto da Kharzeev e Levin ha ragione. Ultimo ma non meno importante, poiché l’entropia dell’entanglement è anche correlata a concetti come l’area della superficie dei buchi neri, l’ultimo risultato apre un campo interessante per ulteriori ricerche.


Nuove informazioni sulla struttura interna del protone


Maggiori informazioni:
Martin Hentschinski et al, Evidence for the maximally entangled low x proton in Deep Inelastic Scattering from H1 data, L’European Physical Journal C (2022). DOI: 10.1140/epjc/s10052-022-10056-y

Fornito da The Henryk Niewodniczanski Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences

Citazione: Interior of protons is maximally entangled (2022, 17 marzo) recuperato il 18 marzo 2022 da https://phys.org/news/2022-03-interior-protons-maximally-entangled.html

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