科学家们近日在探索质子内部结构的过程中取得了突破性进展，揭示了质子内部夸克和胶子之间存在的量子纠缠现象。这一发现由美国能源部下属的布鲁克海文国家实验室的研究团队及其合作者共同完成，他们利用高能粒子碰撞的数据，结合量子信息科学的理论，成功绘制出了质子内部量子纠缠的图景。
质子作为原子核的基本组成部分，一直以来都被视为夸克和胶子的集合体。然而，最新的研究表明，这些基本粒子之间存在着一种被称为量子纠缠的奇特现象。这种现象最早由阿尔伯特·爱因斯坦提出，他形象地将其描述为“远距离的幽灵般的动作”，意味着粒子之间可以无视距离地相互感知状态。
在布鲁克海文实验室的研究中，科学家们发现质子内部的纠缠发生在极短的距离内，甚至不到一千万亿米。这种纠缠不仅影响了夸克和胶子的行为，还直接关联到电子-质子碰撞后释放出的粒子的分布和特性。通过量子信息科学的语言和方程，科学家们预测并验证了纠缠对碰撞结果的影响，从而证实了质子内部量子纠缠的存在。
研究团队在《物理学进展报告》上发表的最新论文中详细阐述了这一发现。他们通过精确描绘纠缠如何影响碰撞中释放的夸克和胶子聚结形成新的复合粒子后，从粒子粉碎中以不同角度出现的稳定粒子的分布，进一步完善了对质子结构的理解。这一成果不仅为质子内部结构的研究增添了新的复杂性，还可能为其他科学领域中的纠缠现象提供新的见解。
物理学家Zhoudunming（Kong）Tu作为论文的合著者之一，表示这一发现彻底改变了对质子内部结构的认识。在过去，科学家们主要关注夸克和胶子在质子内部的分布方式，而现在，他们必须考虑这些粒子之间的纠缠关系。Tu指出，这一发现意味着质子内部是一个更复杂、更动态的系统，需要更全面的理论来描述。
这一新观点对于理解核物理学中的其他复杂问题也具有重要意义。例如，成为更大原子核的一部分如何影响质子特性，是核物理学研究的核心问题之一。未来的电子离子对撞机（EIC）实验将重点关注这一领域，而布鲁克海文实验室的研究团队正在开发的工具将为EIC实验的预测提供有力支持。
在这项研究中，科学家们利用量子信息科学的理论来预测纠缠对电子-质子碰撞的影响。他们发现，如果夸克和胶子纠缠在一起，那么碰撞产生的粒子的熵或无序度将显著增加。这一预测在欧洲大型强子对撞机的质子-质子碰撞数据以及HERA电子-质子碰撞数据中得到了验证。通过分析这些数据，科学家们发现质子内部的夸克和胶子确实处于最大纠缠状态。
布鲁克海文实验室的理论家Dmitri Kharzeev指出，夸克和胶子之间的纠缠揭示了它们强力相互作用的性质。这种相互作用是产生大量夸克-反夸克对和胶子的原因，也是质子内部最大纠缠的根源。他强调，纠缠不仅发生在两个粒子之间，而是发生在所有粒子之间，是一种系统范围的交互。
这一发现为核物理学和粒子物理学中的一些问题提供了新的解决思路。科学家们可以利用量子信息科学的工具来探索复杂核物理现象，而不必担心中间步骤的复杂性。例如，通过观察碰撞产生的粒子的熵，可以推断出质子碰撞前的纠缠状态，从而为理解质子内部行为提供新的线索。
未来，科学家们计划利用这一新发现来探索质子在原子核中的行为。他们希望通过观察嵌入原子核的质子中的纠缠，了解它如何受到核环境的影响。这一研究将有助于深入了解量子行为在核环境中的保持和变化，以及它与传统核和粒子物理现象之间的联系。
