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自由大學(xué) 質(zhì)子內(nèi)部存在量子糾纏？為什么夸克不會單獨出現(xiàn)？

【 自由大學(xué)|質(zhì)子內(nèi)部存在量子糾纏？為什么夸克不會單獨出現(xiàn)？】質(zhì)子是復(fù)雜的，亞原子粒子本身由更小的粒子組成，稱為夸克和膠子。現(xiàn)在，來自大型強子對撞機的數(shù)據(jù)表明質(zhì)子的組成并不獨立。其研究結(jié)果由三位物理學(xué)家在發(fā)表在《arXiv》上的一篇論文中指出：被稱為糾纏的量子鏈所束縛。量子糾纏以前曾在比質(zhì)子大得多的尺度上進行過研究。在實驗中，相互糾纏的粒子似乎是瞬間相互影響的。盡管科學(xué)家們懷疑質(zhì)子內(nèi)部存在糾纏，但這種現(xiàn)象的跡象尚未在直徑約為萬億分之一毫米的粒子內(nèi)部得到實驗證明。
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阿姆斯特丹自由大學(xué)的理論物理學(xué)家Piet Mulders說：我們的想法是，這是一個量子力學(xué)粒子，如果你往里面看，它本身就是糾纏的。在這項新研究中，研究小組分析了在日內(nèi)瓦的大型強子對撞機(Large Hadron Collider)上加速到高速并猛烈撞擊在一起的質(zhì)子碰撞。利用CMS實驗的數(shù)據(jù)，研究人員研究了質(zhì)子內(nèi)部糾纏產(chǎn)生的熵。熵是一種性質(zhì)，它依賴于一個系統(tǒng)在微觀層面上可能呈現(xiàn)的狀態(tài)數(shù)量。一個類比是一副牌：洗牌有多種排序方式，而有序的牌只有一種，因此洗牌的熵更高。
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被束縛的質(zhì)子含有更小的粒子，稱為夸克和膠子(如圖)，實驗數(shù)據(jù)表明，量子糾纏將這些粒子彼此連接起來。圖片：SCIFY/SHUTTERSTOCK
如果一個質(zhì)子內(nèi)部存在糾纏，那么由于這些聯(lián)系就會產(chǎn)生額外的熵。這種熵可以通過計算每次碰撞產(chǎn)生的粒子數(shù)來得到。物理學(xué)家在研究論文中報告說：發(fā)現(xiàn)的熵值與假設(shè)夸克和膠子糾纏在一起的預(yù)期值相符。目前，該論文正在等待同行評審，然后發(fā)表在期刊上。德國海德堡大學(xué)的理論物理學(xué)家Stefan Floerchinger說：糾纏的跡象還沒有確定下來。為了最終確定纏結(jié)，需要進行嚴格的測試來排除其他可能的解釋。相反，研究人員的研究“更像是打開了一扇門”，并可能導(dǎo)致進一步的研究，闡明質(zhì)子的內(nèi)部物理學(xué)。
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這項研究的合作者之一、紐約石溪大學(xué)的理論物理學(xué)家Dmitri Kharzeev說：未來研究可以解決的一個難題是，為什么夸克總是被限制在更大的粒子中，而且永遠不會單獨出現(xiàn)。這種限制是“糾纏的終極例子”。夸克“根本不可能以孤立的狀態(tài)存在，而且總是與它們的同伴聯(lián)系在一起。雖然夸克的這一性質(zhì)是眾所周知的，但沒有一個基本的數(shù)學(xué)解釋。Kharzeev希望研究質(zhì)子中的量子糾纏能幫助解釋這個難題。
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參考期刊《arXiv》
Cite：arXiv:1904.11974
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