מדענים במעבדה הלאומית ברוקהייבן של משרד האנרגיה האמריקאי פיתחו שיטה חדשה לחקר מבנה הפרוטונים תוך שימוש בנתונים מהתנגשויות של חלקיקים באנרגיה גבוהה. הגישה שלהם משתמשת במדע המידע הקוונטי כדי לנתח את ההשפעות של הסתבכות קוונטית על מסלולי החלקיקים הנובעים מהתנגשויות אלקטרונים-פרוטון.
לִלמוֹד הראה שהקווארקים והגלואונים המרכיבים את מבנה הפרוטון מחוברים בתופעת ההסתבכות הקוונטית. מושג זה, שתואר על ידי אלברט איינשטיין כ"פעולה מפחידה מרחוק", מרמז שחלקיקים יכולים "לדעת" זה את המצבים של זה גם כשהם רחוקים. במקרה של פרוטונים, ההסתבכות מתפשטת לכל הקווארקים והגלואונים בתוך חלקיק בודד, למרות מרחקים קטנים במיוחד – פחות מרבעון המטר.
המחקר בן שש השנים, שפורסם בכתב העת Reports on Progress in Physics, מראה כיצד הסתבכות משפיעה על התפלגות החלקיקים היציבים המיוצרים בזוויות שונות במהלך התנגשויות. ממצאים אלו מעמיקים את הבנתנו את המבנה הפנימי של הפרוטון, ומוסיפים רמה חדשה של מורכבות לתפיסה המסורתית לגביו כאוסף פשוט של קווארקים וגלואונים.
לתוצאות המתקבלות יש השלכות מרחיקות לכת. הם לא רק מבהירים את התמונה של מבנה הפרוטונים, אלא גם מספקים כלי חדש לחקר הטבע הקוונטי של חלקיקים בפיזיקה גרעינית. בפרט, המחקר עוזר להבין כיצד תכונות הפרוטונים משתנות בתוך הרכב הגרעין. זו תהיה אחת המטרות המרכזיות של ניסויים עתידיים במתאיץ יוני האלקטרונים (EIC), שאמור להיפתח במעבדת ברוקהייבן בשנות ה-30.
באמצעות מידע קוונטי, מדענים הצליחו לחזות כיצד הסתבכות בתוך פרוטון משפיעה על האנטרופיה, מדד להפרעה בחלקיקים שנוצרו במהלך התנגשויות. הסתבכות מקסימלית של קווארקים וגלואונים תואמת אנטרופיה גבוהה, כפי שאושרה על ידי ניתוח נתונים שהתקבלו מתנגשים כמו מאיץ ההדרונים הגדול באירופה ומאיץ טבעת ההדרון-אלקטרון בגרמניה.
בנוסף, שיטות ניתוח חדשות יסייעו לחקור תופעות מורכבות יותר, כמו השפעת הסביבה הגרעינית על ההסתבכות הקוונטית של פרוטונים. שאלות הקשורות לקוהרנטיות ולדה-קוהרנטיות של מצבים קוונטיים נותרו פתוחות ודורשות מחקר נוסף. ניסויי EIC עתידיים לא רק יקדמו ידע על מבנה החומר הנראה, אלא גם ילמדו את האינטראקציות הבסיסיות שמחזיקות קווארקים וגלואונים בתוך פרוטונים.
המודל החדש גם עוזר לשקול את התנהגות הפרוטון כמכלול, ולא כאוסף של חלקיקים בודדים. הדבר דומה לתופעת טמפרטורת המים: תכונותיה של מולקולה בודדת אומרות מעט על הטמפרטורה בכללותה, אך ההתנהגות הסטטיסטית של המערכת כולה מעצבת תכונה זו. כמו כן, ההתנהגות הקולקטיבית של קווארקים וגלואונים חושפת תמונה מורכבת של מבנה הפרוטונים.
מחקר עתידי יתמקד כיצד הפרוטון משנה את תכונותיו בסביבה הגרעינית וכיצד זה קשור לתופעות מסורתיות בפיזיקה גרעינית וחלקיקים. עבודות אלו יכולות לפתוח גבולות חדשים בהבנת מבנה החומר וחוקי היסוד של היקום.
