Quando un fotone ad alta energia colpisce un protone, le particelle secondarie divergono in modo tale da indicare che l'interno del protone è al massimo entangled. Un team internazionale di fisici, con la partecipazione dell'Istituto di fisica nucleare dell'Accademia polacca delle scienze di Cracovia, ha appena dimostrato che nel protone è presente il massimo entanglement anche nei casi in cui i pomeroni sono coinvolti nelle collisioni.
Diciotto mesi fa è stato dimostrato che le diverse parti dell'interno del protone devono essere al massimo entangled tra loro. Questo risultato, ottenuto con la partecipazione del Prof. Krzysztof Kutak dell'Istituto di Fisica Nucleare dell'Accademia Polacca delle Scienze (IFJ PAN) di Cracovia e del Prof. Martin Hentschinski dell'Universidad de las Americas Puebla in Messico, è stato il risultato di considerazioni e osservazioni di collisioni di fotoni ad alta energia con quark e gluoni nei protoni e hanno supportato l'ipotesi presentata alcuni anni prima dai professori Dimitri Kharzeev e Eugene Levin.
Ora, in un articolo pubblicato sulla rivista Physical Review Letters , a un team internazionale di fisici è stata presentata un'analisi complementare dell'entanglement per collisioni tra fotoni e protoni in cui le particelle secondarie (adroni) sono prodotte mediante un processo chiamato scattering anelastico profondo diffrattivo. La domanda principale era:in questi casi l'entanglement si verifica anche tra quark e gluoni e, se sì, è anche massimale?
Per dirla in termini semplici, i fisici parlano di entanglement tra vari oggetti quantistici quando i valori di alcune caratteristiche di questi oggetti sono correlati. L'entanglement quantistico non si osserva nel mondo classico, ma la sua essenza è facilmente spiegabile con il lancio di due monete. Ogni moneta ha due facce e, quando cade, può assumere uno dei due valori mutuamente esclusivi (testa o croce) con la stessa probabilità.
Avremmo a che fare con l'analogo dell'entanglement quantistico se, lanciando due monete contemporaneamente, ottenessimo sempre o solo due risultati diversi (testa e croce) o due risultati identici (due teste o due croci). In questo caso, l’entanglement sarebbe massimo perché nessun valore sarebbe favorito:la probabilità che una moneta si trovi nello stato di testa o croce sarebbe comunque del 50%. Se l'entanglement non fosse massimo, la situazione sarebbe diversa.
Non osserveremmo sempre le stesse due combinazioni, ma a volte anche l'altra.
"Nella fisica nucleare, l'esistenza di uno stato di entanglement massimo può essere vista nei dati sperimentali quando si osservano i dati; sappiamo che... non sappiamo nulla. In certe collisioni di un elettrone con un protone, chiamate scattering anelastico profondo, il protone si rompe completamente e vengono prodotte molte particelle soggette alle interazioni forti, i cosiddetti adroni. Abbiamo quindi a che fare con uno stato di entanglement massimo del protone ogni volta che non possiamo prevedere quanti adroni verranno creati in una determinata collisione," il prof. . Kutak spiega.
Studi precedenti sull'entanglement massimo all'interno del protone riguardavano il caso sopra menzionato, dove gli adroni venivano prodotti nella diffusione anelastica profonda di un elettrone e di un protone. Tali reazioni sono facili da individuare negli esperimenti perché danno come risultato la divergenza delle particelle secondarie praticamente in tutte le direzioni (cioè quelle che coinvolgono la direzione primaria del movimento del protone).
"È noto, tuttavia, che all'incirca ogni decima collisione avviene in modo diverso:dietro il punto di collisione, in determinati intervalli angolari, non si vede alcuna particella. Sono proprio questi processi che chiamiamo diffrazione o produzione esclusiva, e sono al centro centro della nostra attuale ricerca sull'entanglement quantistico," aggiunge il prof. Kutak.
La produzione nel processo profondamente anelastico risulta dall'interazione di un fotone con partoni (quark e gluoni) in un protone. Nel caso della produzione diffrattiva, il fotone interagisce anche con un partone nel protone, ma che fa parte di una struttura più grande denominata pomerone.
La caratteristica quantistica più importante dei gluoni è il loro colore (che non ha nulla a che fare con il colore come lo conosciamo nella vita di tutti i giorni, a parte il nome). Le particelle secondarie, osservate nei rivelatori come effetto di collisioni, sono il risultato di processi in cui quark e gluoni in un protone si scambiano la carica cromatica. Tuttavia, i gluoni possono formare stati legati chiamati pomeroni, in cui il colore viene neutralizzato a vicenda.
Quando, durante una collisione tra un fotone e un partone, si scopre che il partone era parte di un pomerone, la collisione non produrrà adroni divergenti sull'intero intervallo angolare coperto dai rivelatori. Alcuni rilevatori, invece, teoricamente in grado di vedere le particelle prodotte durante la fase di collisione in questione, rimarranno silenziosi.
Il team internazionale di fisici è riuscito a dimostrare che durante le collisioni che coinvolgono i pomeroni, all'interno del protone si crea anche uno stato in cui tutte le particelle sono intrecciate al massimo. Tuttavia, è evidente una differenza rispetto ai casi analizzati in precedenza:quando sono coinvolti i pomeroni, l'entanglement massimo si verifica a un'energia leggermente superiore.
La presente ricerca integra la nostra precedente conoscenza del corso degli eventi durante le collisioni tra fotoni e protoni. Grazie ad esso, ora si può dire che l'entanglement massimale è un fenomeno universale in questi processi, presente in entrambi i meccanismi di produzione di particelle secondarie a noi noti.
"Il nostro risultato non ha solo un significato teorico, ma anche pratico. In effetti, una comprensione più profonda di come si forma uno stato massimamente entangled all'interno del protone consentirà una migliore interpretazione dei risultati dei futuri collisori di particelle come l'Electron-Ion Collider," conclude il prof. Kutak
Ulteriori informazioni: Martin Hentschinski et al, Sondaggio dell'insorgenza del massimo entanglement all'interno del protone nello scattering anelastico profondo diffrattivo, Lettere di revisione fisica (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.241901
Informazioni sul giornale: Lettere di revisione fisica
Fornito dall'Accademia Polacca delle Scienze
