Les physiciens du laboratoire national de Brookhaven du département américain de l'énergie (DOE) et de l'Université Stony Brook (SBU) ont montré que les particules produites dans des pulvérisations collimates appelées Jets conservent des informations sur leurs origines dans les fracas de particules subatomiques. L'étude a récemment été publiée comme suggestion de l'éditeur dans la revue Lettres d'examen physique.
« Malgré des recherches approfondies, le lien entre les conditions initiales d'un jet et sa distribution finale de particules est restée insaisissable, » a déclaré Charles Joseph Naim, associé de recherche au Center for Frontiers in Nuclear Science (CFNS) dans le département de physique et d'astronomie de SBU. « Cette étude, pour la première fois, établit un lien direct entre «l'entropie d'intrication» au premier stade de la formation de jet et les particules qui émergent à mesure qu'un jet évolue. »
Les preuves proviennent d'une analyse des particules de jet émergeant des collisions de proton-proton capturées par l'expérience de l'ATLAS au grand collisionneur de hadrons, un collision circulaire de circonférence de 17 milles situé au CERN, l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire. Dans ces collisions puissantes, les éléments constitutifs individuels des protons en collision, connus sous le nom de quarks et gluons, se dispersent et se sont parfois libérés avec d'énormes quantités d'énergie. Mais les quarks ne peuvent pas rester gratuits longtemps. Eux et les glluons qui les maintiennent normalement commencent immédiatement à se séparer et à se reconnecter à travers un processus de branchement appelé fragmentation. Le résultat est la formation de nombreuses nouvelles particules composites faites de paires ou de triplicats de quarks – connues de manière collective sous le nom de hadrons – qui vaporisent hors de la collision de manière coordonnée, c'est-à-dire en tant que jet.
« Nous voulions voir si la distribution des hadrons dans le jet a été influencée par le niveau d'enchevêtrement parmi les quarks et les gluons au moment où le jet s'est formé, » a déclaré Abhay Deshpande, professeur distingué à SBU. DeShpande est titulaire d'une nomination conjointe en tant que directeur des sciences pour le collision Electron-Ion (EIC), un nouveau centre de recherche en physique nucléaire en construction au Brookhaven Lab, et il est également actuellement directeur du laboratoire associé par intérim de Brookhaven Lab pour la physique nucléaire et des particules.
L'analyse a été motivée en partie par des recherches antérieures par les co-auteurs de l'étude Zhoudunming TU et Dmitri Kharzeev, tous deux avec des postes de professeur à SBU et des nominations au Brookhaven Lab. Leur étude, publiée l'année dernière, a révélé un lien entre l'enchevêtrement entre les quarks et les glluons dans les protons et la distribution globale des particules émergeant des smashups de proton-proton et d'électrons-proton. Dans ce travail, plus l'entropie d'enchevêtrement parmi les quarks et les glluons est élevée, plus l'entropie est élevée, ou « désordre, » Dans la distribution des particules produites.
« Cette étude antérieure a révélé qu'il y a un enchevêtrement maximal parmi les quarks et les gluons dans le proton à haute énergie, » dit tu. « Dans ce travail, nous étendons cette approche à la production de jets, qui se forment à partir de la fragmentation de ces quarks et glluons. Y aura-t-il également un enchevêtrement maximal «à l'intérieur» de ces quarks et gluons à haute énergie fragmentante? »
Un tel état d'enchevêtrement maximal parmi les quarks et les gluons de formation de jet prédit un lien entre la fonction de fragmentation du jet et l'entropie, ou trouble, de hadrons émergeant du jet. Cette entropie serait observée comme un grand nombre de différents types de hadrons – des pions, des kaons et des protons, qui ont réussi le détecteur. À l'inverse, une telle observation d'un degré élevé de trouble parmi les particules de jet et sa corrélation avec les prévisions initiales de fragmentation seraient des preuves de cet enchevêtrement maximal dans les quarks et les gluons fragmentés.
Lorsque les scientifiques ont examiné les données des collisions de proton-proton du LHC, la distribution des hadrons de jet correspondait à cette prédiction basée sur un enchevêtrement maximal dans la première étape de la formation de jet.
« Cette nouvelle étude propose une nouvelle perspective de niveau quantique sur le processus de fragmentation, » dit Kharzeev.
Le co-auteur de l'étude Jaydeep Datta, chercheur à SBU, a ajouté, ajouté, « Cette étude ouvre la voie à une exploration plus approfondie de la façon dont l'intrication quantique influence la formation de hadrons, y compris dans le prochain collisionneur électronique-ion. »
L'EIC aura une participation active de la part de nombreuses professeurs et étudiants de l'Université Stony Brook, et il promet une précision sans précédent dans l'étude des effets d'enchevêtrement quantiques dans les collisions à haute énergie. Entre autres choses, l'EIC comparera les jets émergeant des collisions électron-proton avec des jets émergeant des collisions électron-nucléus. Ces expériences exploreront jusqu'où les effets quantiques s'étendent dans les noyaux et modifieront potentiellement le microcosme dans les protons.
