매우 짧은 거리에서의 '스푸키한 액션': 과학자들이 양성자의 양자 얽힘을 매핑하다

미국 에너지부(DOE) 브룩헤이븐 국립 연구소(Brookhaven National Laboratory)의 과학자들과 공동 연구자들은 고에너지 입자 분쇄 데이터를 사용하여 양성자 내부를 들여다볼 수 있는 새로운 방법을 개발했습니다. 그들의 접근 방식은 양자 정보 과학을 사용하여 전자-양성자 충돌로 인해 흐르는 입자 트랙이 양성자 내부의 양자 얽힘에 의해 어떻게 영향을 받는지 파악합니다.

결과는 양성자의 구조를 구성하는 기본 구성 요소인 쿼크와 글루온이 소위 양자 얽힘에 영향을 받는다는 것을 보여줍니다. 알베르트 아인슈타인(Albert Einstein)이 "원거리에서의 으스스한 작용"으로 유명하게 묘사한 이 기발한 현상은 입자들이 멀리 떨어져 있을 때에도 서로의 상태(예: 회전 방향)를 알 수 있다는 것을 의미합니다. 이 경우 얽힘은 개별 양성자 내부의 1000분의 1미터 미만의 믿을 수 없을 정도로 짧은 거리에서 발생하며 정보 공유는 해당 양성자의 쿼크와 글루온 전체 그룹에 걸쳐 확장됩니다.

최근 저널에 게재된 팀의 최신 논문 물리학 발전 보고서(ROPP)그룹의 6년간의 연구 노력을 요약합니다. 충돌에서 해방된 쿼크와 글루온이 합쳐져 새로운 복합 입자를 형성한 후 입자 충돌에서 다양한 각도로 나타나는 안정적인 입자의 분포에 얽힘이 어떻게 영향을 미치는지 정확하게 설명합니다.

쿼크와 글루온 간의 얽힘에 대한 이 새로운 관점은 양성자의 내부 구조에 대한 진화하는 그림에 복잡성을 더해줍니다. 또한 얽힘이 중요한 역할을 하는 다른 과학 분야에 대한 통찰력을 제공할 수도 있습니다.

"우리가 이 작업을 하기 전까지는 아무도 실험적 고에너지 충돌 데이터에서 양성자 내부의 얽힘을 살펴본 적이 없었습니다." 논문의 공동 저자이자 2018년 Brookhaven Lab에 합류한 이후 이 탐구에 협력한 물리학자 Zhoudunming (Kong) Tu가 말했습니다. "수십 년 동안 우리는 양성자를 쿼크와 글루온의 집합으로 보는 전통적인 관점을 가지고 있었고, 쿼크와 글루온이 양성자 내부에 어떻게 분포되어 있는지를 포함하여 소위 단일 입자 속성을 이해하는 데 집중해 왔습니다.

"이제 쿼크와 글루온이 얽혀 있다는 증거로 인해 이 그림이 바뀌었습니다. 우리는 훨씬 더 복잡하고 역동적인 시스템을 갖게 되었습니다"라고 그는 말했습니다. "이 최신 논문은 얽힘이 양성자 구조에 어떻게 영향을 미치는지에 대한 우리의 이해를 개선합니다."

양성자 내부의 쿼크와 글루온 간의 얽힘을 매핑하면 더 큰 핵의 일부가 양성자의 특성에 어떻게 영향을 미치는지 포함하여 핵물리학의 다른 복잡한 질문에 대한 통찰력을 얻을 수 있습니다. 이는 2030년대에 Brookhaven 연구소에 개장할 것으로 예상되는 핵 물리학 연구 시설인 전자 이온 충돌기(EIC)의 미래 실험의 초점 중 하나가 될 것입니다. 이들 과학자들이 개발하고 있는 도구는 EIC 실험에 대한 예측을 가능하게 합니다.

지저분함을 얽힘의 신호로 해독하기

이 연구에서 과학자들은 양자 정보 과학의 언어와 방정식을 사용하여 얽힘이 전자-양성자 충돌로 인해 흐르는 입자에 어떤 영향을 미치는지 예측했습니다. 이러한 충돌은 양성자 구조를 조사하기 위한 일반적인 접근 방식으로, 가장 최근에는 1992년부터 2007년까지 독일 함부르크의 HERA(강입자-전자 고리 가속기) 입자 충돌기에서 이루어졌으며 향후 EIC 실험을 위해 계획되어 있습니다.

2017년에 발표된 이 접근법은 논문의 공동 저자인 Brookhaven Lab과 Stony Brook University의 이론가인 Dmitri Kharzeev와 Tel Aviv University의 Eugene Levin이 개발했습니다. 방정식은 쿼크와 글루온이 얽혀 있으면 충돌의 엔트로피 또는 무질서로부터 드러날 수 있다고 예측합니다.

Tu는 "세탁물과 기타 물건이 여기저기 널려 있는 지저분한 아이의 침실을 생각해 보십시오. 그 정리되지 않은 방에서는 엔트로피가 매우 높습니다."라고 Tu는 말했습니다. 그는 극도로 깔끔한 차고의 엔트로피가 낮은 상황과 대조했습니다. 그 자리에 있습니다.

계산에 따르면, 최대로 얽힌 쿼크와 글루온(높은 수준의 "얽힘 엔트로피")을 가진 양성자는 "지저분한" 분포, 즉 높은 엔트로피를 갖는 많은 입자를 생성해야 합니다.

Kharzeev는 “쿼크와 글루온의 최대 얽힘 상태에 대해 고에너지 충돌에서 생성된 입자의 엔트로피를 예측할 수 있는 간단한 관계가 있습니다.”라고 말했습니다. "우리 논문에서 우리는 실험 데이터를 사용하여 이 관계를 테스트했습니다."

과학자들은 유럽의 대형 강입자 충돌기(Large Hadron Collider)에서 양성자-양성자 충돌 데이터를 분석하는 것부터 시작했지만, 전자-양성자 충돌에 의해 생성된 "더 깨끗한" 데이터도 보고 싶었습니다. EIC가 활성화되려면 시간이 좀 걸릴 것이라는 것을 알고 Tu는 H1로 알려진 HERA 실험 협력 중 하나에 합류했습니다. H1에는 여전히 은퇴한 물리학자들이 가끔 모여 실험을 논의하고 있습니다.

Tu는 현재 DESY(Deutsches Elektronen-Synchrotron)의 H1 공동 대변인인 물리학자 Stefan Schmitt와 3년 동안 협력하여 오래된 데이터를 채굴했습니다. 두 사람은 2006~2007년에 기록된 데이터에서 입자 생성 및 분포가 어떻게 변했는지, 이러한 분포를 생성한 충돌에 대한 광범위한 기타 정보를 포함하여 자세한 정보를 목록화했습니다. 그들은 다른 사람들이 사용할 수 있도록 모든 데이터를 공개했습니다.

물리학자들이 HERA 데이터를 엔트로피 계산과 비교했을 때 결과는 예측과 완벽하게 일치했습니다. 최신 분석을 포함한 이러한 분석은 무례한 충돌 지점에서 다양한 각도로 입자 분포가 어떻게 변하는지에 대한 결과는 양성자 내부의 쿼크와 글루온이 최대로 얽혀 있다는 강력한 증거를 제공합니다.

결과와 방법은 EIC에서 향후 실험을 위한 토대를 마련하는 데 도움이 됩니다.

통계적 행동과 출현적 속성

쿼크와 글루온 사이의 얽힘이 밝혀지면 이들의 강력한 상호작용의 본질이 밝혀진다고 Kharzeev는 말했습니다. 이는 EIC에서 탐구될 핵물리학의 핵심 질문 중 하나인 쿼크와 글루온을 양성자 내에 가두는 것이 무엇인지에 대한 추가 통찰력을 제공할 수 있습니다.

“양성자 내부의 최대 얽힘은 수많은 쿼크-반쿼크 쌍과 글루온을 생성하는 강한 상호작용의 결과로 나타납니다.”라고 그는 말했습니다.

강한 힘 상호작용(쿼크 사이에서 하나 이상의 글루온 교환)은 개별 입자 사이에서 발생합니다. 이는 두 개의 개별 입자가 아무리 멀리 떨어져 있어도 서로에 대해 알 수 있는 얽힘에 대한 가장 간단한 설명처럼 들릴 수 있습니다. 그러나 실제로 정보 교환인 얽힘은 시스템 전반에 걸친 상호 작용입니다.

Kharzeev는 "얽힘은 두 입자 사이에서만 발생하는 것이 아니라 모든 입자 사이에서 발생합니다."라고 말했습니다.

이제 과학자들은 이러한 집단적 얽힘을 탐구할 수 있는 방법을 갖게 되었으며, 양자 정보 과학 도구를 사용하면 핵 및 입자 물리학의 일부 문제를 더 쉽게 이해할 수 있습니다.

Tu는 "입자 충돌은 결과에 영향을 미치는 여러 단계로 인해 매우 복잡할 수 있습니다."라고 말했습니다. "그러나 이 연구는 나타나는 입자의 엔트로피와 같은 일부 결과가 충돌하기 전 양성자 내부의 얽힘에 의해 결정된다는 것을 보여줍니다. 엔트로피는 모든 중간 단계의 복잡성에 대해 '관심'하지 않습니다. 따라서 아마도 우리는 이 접근 방식을 사용하면 도중에 일어나는 일에 대한 세부 사항에 대해 걱정하지 않고 다른 복잡한 핵 물리학 현상을 탐색할 수 있습니다."

개별 입자가 아닌 전체 시스템의 집단적 행동에 대해 생각하는 것은 물리학의 다른 영역은 물론 일상 생활에서도 흔히 볼 수 있습니다. 예를 들어, 끓는 물 냄비에 대해 생각할 때 각 개별 물 분자의 진동 운동에 대해 실제로 알지 못합니다. 어떤 물 분자도 당신을 태울 수 없습니다. 온도의 성질을 발생시키고 물을 뜨겁게 느끼게 하는 것은 진동하는 모든 분자의 통계적 평균, 즉 집합적인 결합 행동입니다. 마찬가지로, 하나의 쿼크와 글루온이 어떻게 행동하는지 이해한다고 해서 양성자가 전체적으로 어떻게 행동하는지 즉시 전달되는 것은 아닙니다.

Tu는 "너무 많은 입자가 모이면 물리학적 관점이 바뀐다"고 Tu는 말하면서 양자 정보 과학이 전체 시스템의 통계적 또는 창발적 동작을 설명하는 도구라고 지적했습니다. "이 접근법은 입자의 얽힘이 어떻게 그룹 행동으로 이어지는지에 대한 통찰력을 제공할 수 있습니다"라고 Tu는 말했습니다.

모델을 사용하기

이제 과학자들은 자신의 모델을 확인하고 검증했으므로 이를 새로운 방식으로 사용하기를 원합니다. 예를 들어, 그들은 핵 안에 존재하는 것이 양성자에 어떤 영향을 미치는지 알고 싶어합니다.

"이 질문에 답하기 위해 우리는 전자를 개별 양성자뿐만 아니라 EIC의 이온인 핵과 충돌시켜야 합니다"라고 Tu는 말했습니다. "동일한 도구를 사용하여 핵에 내장된 양성자의 얽힘을 확인하고 이것이 핵 환경에 의해 어떻게 영향을 받는지 알아보는 것은 매우 도움이 될 것입니다."

상호작용하는 수많은 양성자와 중성자로 둘러싸인 매우 바쁜 핵 환경에 양성자를 놓으면 개별 양성자의 얽힘이 사라질까요? 이 핵 환경이 소위 양자 결맞음에서 역할을 할 수 있을까요?

"핵 환경의 얽힘을 살펴보면 이 양자 거동, 즉 어떻게 일관성을 유지하거나 결맞음이 발생하는지에 대해 더 많이 알 수 있으며, 이것이 우리가 해결하려는 전통적인 핵 및 입자 물리학 현상과 어떻게 연결되는지에 대해 더 많이 배울 수 있습니다. "라고 투가 말했습니다.

"양성자와 중성자에 대한 핵 환경의 영향은 EIC 과학의 중심에 있습니다"라고 멕시코의 Universidad de las Américas Puebla(UDLAP) 논문의 공동 저자인 Martin Hentschinski가 말했습니다.

폴란드 과학 아카데미의 공동저자인 크시슈토프 쿠탁(Krzysztof Kutak)은 "가시 물질의 구조에 대한 이해를 새로운 지평으로 끌어올리기 위해 이 도구를 사용하여 연구하고 싶은 다른 많은 현상이 있습니다"라고 덧붙였습니다.

이 연구는 DOE Office of Science, 유럽 연합의 Horizon 2020 연구 및 혁신 프로그램, UDLAP Apoyos VAC 2024, Brookhaven Lab의 실험실 감독 연구 및 개발 프로그램의 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/12/241202123647.htm