Physiker haben eine bahnbrechende Entdeckung über die innere Struktur von Protonen gemacht, den Bausteinen von Atomkernen. Mithilfe von Werkzeugen der Quanteninformation haben sie beispiellose Einblicke in das komplexe Zusammenspiel von Quarks und Gluonen gewonnen, den fundamentalen Teilchen, aus denen Protonen bestehen.
Die Forschung, die am 5. Februar 2025 in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht wurde, zeigt, dass Quantenverschränkung eine entscheidende Rolle in der inneren Dynamik des Protons spielt. Dies bedeutet, dass die Quarks und Gluonen innerhalb eines Protons keine unabhängigen Einheiten sind, sondern auf komplizierte Weise miteinander verbunden sind, ihre Schicksale auf eine Weise miteinander verwoben sind, die die klassische Physik in Frage stellt.
Um diese Verschränkung zu untersuchen, führten Wissenschaftler Experimente am Brookhaven National Laboratory durch, bei denen hochenergetische Photonen während Elektron-Proton-Kollisionen ausgetauscht werden. Durch die Analyse der sekundären Teilchen, die bei diesen Kollisionen erzeugt werden, konnten die Forscher die Verschränkungsmuster innerhalb des Protons kartieren.
Eine der wichtigsten Erkenntnisse ist das Konzept der Verschränkungsentropie, die die Komplexität verschränkter Zustände quantifiziert. Diese Entropie bietet eine messbare Möglichkeit, die Verschränkung zwischen den Bestandteilen des Protons zu verstehen. Die Forscher stellten fest, dass die Verschränkungsentropie ungleich Null ist, was darauf hindeutet, dass die innere Struktur des Protons viel komplexer ist als bisher angenommen.
Diese Entdeckung hat erhebliche Auswirkungen auf unser Verständnis von starken Kernwechselwirkungen, den Kräften, die Quarks und Gluonen zusammenhalten. Durch die Aufklärung der Rolle der Verschränkung in diesen Wechselwirkungen hoffen Wissenschaftler, ein tieferes Verständnis der Bildung und Stabilität von Atomkernen zu gewinnen.
Darüber hinaus hat der in dieser Studie entwickelte Verschränkungsrahmen das Potenzial, zukünftige experimentelle Designs zu verbessern, insbesondere wenn neue Teilchenbeschleuniger wie der Electron-Ion Collider online gehen. Diese Einrichtungen werden den Forschern noch leistungsstärkere Werkzeuge zur Verfügung stellen, um das Innere von Protonen und anderen Teilchen zu untersuchen.
Die Anwendung der Quanteninformationstheorie auf die Untersuchung von Protonen eröffnet eine neue Grenze in der Teilchenphysik und verspricht, unser Verständnis der fundamentalen Kräfte, die die Materie bestimmen, zu revolutionieren. Angesichts dieser Enthüllungen ist es klar, dass die Zusammenarbeit zwischen verschiedenen Disziplinen unerlässlich ist, um substantielle Fortschritte in unserem Verständnis der Natur zu erzielen.