Когда сталкиваются два высокоэнергетических протона из встречных пучков БАК, энтропия взаимодействующих кварков и глюонов практически идентична энтропии адронов, которые впоследствии разлетаются от точки столкновения. Источник: IFJ PAN

Столкновения протонов на Большом адронном коллайдере кажутся хаотичными, но новые данные свидетельствуют о наличии удивительного порядка. Полученные результаты подтверждают, что основное правило квантовой механики действует даже при экстремальных столкновениях частиц.

Столкновения протонов высоких энергий можно представить как бурлящее море кварков и глюонов, в том числе короткоживущих виртуальных. На этом экстремальном этапе у частиц, по-видимому, гораздо больше возможностей для взаимодействия и изменения, чем у меньшего количества более упорядоченных частиц, которые позже разлетаются из точки столкновения. На первый взгляд эта ранняя стадия кажется гораздо более сложной. Однако измерения, проведённые на ускорителе БАК, показывают, что эта картина неполная и что столкновения протонов лучше объясняются усовершенствованной теоретической моделью.

При столкновении протонов на очень высоких энергиях происходит множество процессов. Протоны — это адроны, то есть скопления партонов, в число которых входят кварки и глюоны, связывающие их друг с другом. Когда два протона сталкиваются друг с другом, обладая достаточной энергией, их кварки и глюоны, в том числе виртуальные, существующие лишь короткое время, вступают в сложные взаимодействия. По мере остывания системы кварки объединяются в новые адроны, которые улетают из области столкновения и обнаруживаются в ходе экспериментов.

Исходя из этой последовательности, логично предположить, что энтропия образовавшихся адронов, которая показывает, сколько различных состояний может занимать система, будет отличаться от энтропии на более ранней партонной фазе. Эта начальная фаза выглядит особенно хаотичной, поскольку одновременно взаимодействует множество кварков и глюонов.

Новые данные об энтропии на Большом адронном коллайдере

Последнее исследование, посвященное изучению энтропии как в адронах, так и в партонах при протонных столкновениях, было опубликовано в Physical Review D. Исследование было проведено профессором Кшиштофом Кутаком и доктором Сандором Локошем из Института ядерной физики Польской академии наук (IFJ PAN) в Кракове.

«В физике высоких энергий для описания эволюции плотных глюонных систем уже некоторое время используются так называемые дипольные модели. Эти модели предполагают, что каждый глюон может быть представлен парой кварк-антикварк, образующей диполь двух цветов — здесь мы говорим не об обычных цветах, а о цветовом заряде, который является квантовым свойством глюонов. Дипольные модели, основанные на среднем количестве адронов, образующихся при столкновении, позволяют нам оценить энтропию партонов», — объясняет профессор. Кутак более десяти лет изучал энтропию сложных кварк-глюонных систем.

Доработка дипольной модели

Два года назад профессор Кутак вместе с доктором Павлом Капутой из Стокгольмского университета разработали модифицированную версию дипольной модели. В их подходе за основу было взято одно из существующих описаний эволюции глюонной системы, а затем были добавлены дополнительные эффекты, которые становятся важными при более низких энергиях столкновений, когда образуется меньше адронов. Этот шаг стал возможен после того, как исследователи обнаружили связь между уравнениями, используемыми в дипольных моделях, и уравнениями из теории сложности.

Чтобы проверить, соответствует ли эта обобщённая дипольная модель действительности, доктор Локос предложил сравнить её с экспериментальными данными, собранными на Большом адронном коллайдере. Анализ проводился на основе измерений, полученных в ходе четырёх крупных экспериментов: ALICE, ATLAS, CMS и LHCb. В совокупности эти данные охватывают широкий диапазон энергий столкновений — от 0,2 тераэлектронвольта до 13 ТэВ, максимальной энергии, которой в настоящее время достигают протоны на Большом адронном коллайдере.

«В нашей статье мы показываем, что обобщённая дипольная модель описывает имеющиеся данные более точно, чем предыдущие дипольные модели, и, более того, хорошо работает в более широком диапазоне энергий протонных столкновений», — подчёркивает профессор Кутак.

Что энтропия говорит о квантовой механике

Этот результат возвращает нас к главному вопросу. Отличается ли энтропия в фазе, где преобладают кварковые и глюонные взаимодействия, от энтропии адронов, которые позже покидают место столкновения? Согласно формуле Харзеева — Левина для энтропии, она не должна отличаться. Новые результаты подтверждают эту идею. Хотя этот результат удивляет некоторых физиков, другие считают его естественным следствием одного из самых фундаментальных принципов квантовой механики, известного как унитарность.

Унитарность может показаться абстрактным понятием, но сама концепция проста. Уравнения, описывающие эволюцию квантовой системы во времени, должны сохранять полную вероятность, которая всегда равна единице, и обеспечивать обратимость процессов. Проще говоря, унитарность означает, что вероятность и информация не могут исчезнуть или появиться из ниоткуда.

«Студенты-физики изучают унитарность квантовой механики. Формализм квантовой хромодинамики, теории, описывающей мир кварков и глюонов, основан на унитарности. Однако одно дело — ежедневно иметь дело с теорией, которая демонстрирует определённую особенность на уровне кварков и глюонов, и совсем другое — наблюдать её в реальных данных о полученных адронах», — говорит профессор Кутак. Он отмечает, что унитарность позволяет получать информацию об энтропии партонов в широком диапазоне энергий столкновений.

Будущие испытания с усовершенствованными экспериментальными установками

В следующем десятилетии ожидаются дополнительные испытания обобщённой дипольной модели после запланированной модернизации ускорителя БАК. Усовершенствованный детектор ALICE позволит учёным изучать области, где глюонные взаимодействия более интенсивны, чем те, которые исследовались до сих пор.

Исследователи также с нетерпением ждут данных, полученных на электрон-ионном коллайдере (EIC), который сейчас строится в Брукхейвенской национальной лаборатории в США. На EIC электроны будут сталкиваться с протонами. Поскольку электроны являются элементарными частицами, эти эксперименты позволят детально изучить плотные глюонные системы внутри отдельных протонов.