L’interno dei protoni mostra il massimo entanglement quantistico – Può condividere la fisica comune con i buchi neri

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 intrecciati tra loro, altrimenti le previsioni teoriche non sarebbero d’accordo con i dati raccolti negli esperimenti, è stato mostrato nell’European Physical Journal C. Il modello teorico (che estende la proposta originale dei fisici Dimitri Kharzeev e Eugene Levin) permette di supporre che, contrariamente alla credenza attuale, la fisica che opera all’interno dei protoni possa essere correlata a concetti come l’entropia o la temperatura, che a sua volta potrebbero metterla in relazione con 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 dimostrato che c’è impegno 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 nel osservato parte 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 intrecciato con la parte invisibile proprio in questo modo massimo, come suggerito da Kharzeev e Levin. In pratica, questo significa che non abbiamo alcuna possibilità di prevedere se, a causa dell’interazione con il fotone, il protone decadrà 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 al[{” attribute=””>DESY center in Hamburg, where positrons (i.e. antiparticles of the electrons) were collided with protons until 2007. Such discrepancies were not observed.

The success of the Polish-Mexican tandem is due to the fact that the researchers managed to correctly identify the factors responsible for the maximum entanglement of the proton interior.

In the naive schoolbook view, the proton is a system of three elementary particles: two up quarks and one down quark. However, the strong interactions between these quarks, carried by gluons, can be so strong that they lead to the creation of virtual particle-antiparticle pairs. These can be not only pairs of virtual gluons (which are their own antiparticles), but also pairs made up of any quark and its corresponding antiparticle (even one as massive as charm). All this means that inside the proton, apart from three valence quarks, there are constantly ‘boiling’ seas of virtual gluons and virtual quarks and antiquarks.

“In earlier publications, physicists dealing with the subject assumed that the source of entanglement should be a sea of gluons. Later, attempts were made to show that quarks and antiquarks are the dominant source of entanglement, but even here the proposed methods of description did not stand the test of time. Meanwhile, according to our model, verified by confrontation with experimental data, the sea of virtual gluons is responsible for about 80% of the entanglement, while the sea of virtual quarks and antiquarks is responsible for the remaining 20%,” emphasizes Dr. Kutak.

Most recently, quantum physicists have been associating entropy with the state inside a proton. This is a quantity well known from classical thermodynamics, where it is used to measure the degree of disordered motion of particles in an analyzed system. It is assumed that when a system is disordered, it has high entropy, whereas an ordered system has low entropy. It has recently been shown that in the case of the proton, we can successfully talk about entanglement entropy. However, many physicists have considered the proton to be a pure quantum state in which one should not speak of entropy at all. The consistency of the Mexican-Polish model with experiment is a strong argument for the fact that the concept of entanglement inside the proton as proposed by Kharzeev and Levin has a point. Last but not least, since entanglement entropy is also related to concepts such as the surface area of black holes, the latest result opens an interesting field for further research.

Reference: “Evidence for the maximally entangled low x proton in Deep Inelastic Scattering from H1 data” by Martin Hentschinski and Krzysztof Kutak, 4 February 2022, The European Physical Journal C.
DOI: 10.1140/epjc/s10052-022-10056-y

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