L’intérieur des protons est intriqué au maximum

L'intérieur des protons est intriqué au maximum
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par l’Institut Henryk Niewodniczanski de physique nucléaire Académie polonaise des sciences

Si un photon transporte trop peu d’énergie, il ne rentre pas dans un proton (à gauche). Un photon d’énergie suffisamment élevée est si petit qu’il vole à l’intérieur d’un proton, où il “voit” une partie du proton (à droite). L’enchevêtrement maximal devient alors visible entre les zones « visible » et « invisible ». Crédit : FIJ PAN

Des scientifiques mexicains et polonais ont montré que des fragments de l’intérieur d’un proton présentaient un enchevêtrement quantique maximal. La découverte, déjà confrontée à des données expérimentales, nous permet de supposer qu’à certains égards la physique de l’intérieur d’un proton peut avoir beaucoup en commun non seulement avec des phénomènes thermodynamiques bien connus, mais même avec la physique des… trous noirs .

Divers fragments de l’intérieur d’un proton doivent être intriqués au maximum les uns avec les autres, sinon les prédictions théoriques ne concorderaient pas avec les données recueillies dans les expériences, il a été montré dans Revue Physique Européenne C. Le modèle théorique (qui étend la proposition originale des physiciens Dimitri Kharzeev et Eugene Levin) permet de supposer que, contrairement à la croyance actuelle, la physique opérant à l’intérieur des protons peut être liée à des concepts tels que l’entropie ou la température, qui à leur tour peuvent concerner à des objets aussi exotiques que les trous noirs. Les auteurs de la découverte sont le Dr Martin Hentschinski de l’Universidad de las Americas Puebla au Mexique et le Dr Krzysztof Kutak de l’Institut de physique nucléaire de l’Académie polonaise des sciences (IFJ PAN) à Cracovie, en Pologne.

Les théoriciens mexico-polonais ont analysé la situation dans laquelle des électrons sont tirés sur des protons. Lorsqu’un électron entrant portant une charge électrique négative s’approche d’un proton chargé positivement, il interagit électromagnétiquement avec lui et dévie sa trajectoire. L’interaction électromagnétique signifie qu’un photon a été échangé entre l’électron et le proton. Plus l’interaction est forte, plus le changement d’impulsion du photon est important et donc plus l’onde électromagnétique associée est courte.

“Si un photon est suffisamment “court” pour “s’adapter” à l’intérieur d’un proton, il commence à “résoudre” les détails de sa structure interne. Le résultat de l’interaction avec ce type de photon peut être la désintégration du proton en particules. montré qu’il y a intrication entre les deux situations. Si l’observation par le photon de la partie intérieure du proton conduit à sa désintégration en un certain nombre de particules, disons trois, alors le nombre de particules issues de la partie non observée du proton est déterminé par le nombre de particules observées dans la partie observée du proton », explique le Dr Kutak.

On peut parler d’intrication quantique de divers objets quantiques, si certaines caractéristiques des objets sont liées les unes aux autres d’une manière particulière. L’analogie classique du phénomène peut être représentée par le tirage au sort. Supposons qu’un objet est un côté de la médaille et que l’autre objet est son autre côté. Lorsque nous lançons une pièce, il y a la même probabilité que la pièce tombe pile ou face vers le haut. S’il tombe face à face, nous savons avec certitude que l’autre côté est pile. On peut alors parler d’intrication maximale puisque la probabilité qui détermine la valeur d’une caractéristique d’un objet ne favorise aucune valeur possible : on a 50% de chance d’avoir pile et idem pour pile. Un enchevêtrement inférieur au maximum se produit lorsque la probabilité commence à favoriser l’un des résultats possibles dans une plus ou moins grande mesure.

“Notre étude montre que l’intérieur d’un proton vu par un photon qui passe doit être intriqué avec la partie invisible de cette manière maximale, comme suggéré par Kharzeev et Levin. En pratique, cela signifie que nous n’avons aucune chance de prédire si, en raison à l’interaction avec le photon, le proton se désintégrera en trois, quatre ou tout autre nombre de particules », explique le Dr Hentschinski.

Les nouvelles prédictions théoriques ont déjà été vérifiées. Si l’intrication à l’intérieur du proton n’était pas maximale, il y aurait des écarts entre les calculs théoriques et les résultats de l’expérience H1 à l’accélérateur HERA du centre DESY de Hambourg, où des positrons (c’est-à-dire des antiparticules des électrons) sont entrés en collision avec des protons jusqu’en 2007. De telles divergences n’ont pas été observées.

Le succès du tandem polono-mexicain est dû au fait que les chercheurs ont réussi à identifier correctement les facteurs responsables de l’intrication maximale de l’intérieur du proton.

Dans la vision naïve des manuels scolaires, le proton est un système de trois particules élémentaires : deux quarks up et un quark down. Cependant, les interactions fortes entre ces quarks, portés par les gluons, peuvent être si fortes qu’elles conduisent à la création de paires virtuelles particule-antiparticule. Il peut s’agir non seulement de paires de gluons virtuels (qui sont leurs propres antiparticules), mais aussi de paires composées de n’importe quel quark et de son antiparticule correspondante (même aussi massive que le charme). Tout cela signifie qu’à l’intérieur du proton, à l’exception de trois quarks de valence, il y a constamment des mers « bouillantes » de gluons virtuels et de quarks et antiquarks virtuels.

“Dans des publications antérieures, les physiciens traitant du sujet supposaient que la source d’intrication devait être une mer de gluons. Plus tard, des tentatives ont été faites pour montrer que les quarks et les antiquarks sont la source dominante d’intrication, mais même ici, les méthodes de description proposées n’ont pas Pendant ce temps, selon notre modèle, vérifié par confrontation avec des données expérimentales, la mer de gluons virtuels est responsable d’environ 80% de l’intrication, tandis que la mer de quarks et antiquarks virtuels est responsable des 20 autres % », souligne le Dr Kutak.

Plus récemment, les physiciens quantiques ont associé l’entropie à l’état à l’intérieur d’un proton. Il s’agit d’une quantité bien connue de la thermodynamique classique, où elle est utilisée pour mesurer le degré de mouvement désordonné des particules dans un système analysé. On suppose que lorsqu’un système est désordonné, il a une entropie élevée, alors qu’un système ordonné a une entropie faible. Il a récemment été montré que dans le cas du proton, on peut parler avec succès d’entropie d’intrication. Cependant, de nombreux physiciens ont considéré le proton comme un état quantique pur dans lequel il ne faut pas du tout parler d’entropie. La cohérence du modèle mexicain-polonais avec l’expérience est un argument de poids pour le fait que le concept d’intrication à l’intérieur du proton tel que proposé par Kharzeev et Levin a un point. Enfin, puisque l’entropie d’intrication est également liée à des concepts tels que la surface des trous noirs, le dernier résultat ouvre un champ intéressant pour de nouvelles recherches.


Un nouvel aperçu de la structure interne du proton


Plus d’information:
Martin Hentschinski et al, Preuve du proton faible x intriqué au maximum dans la diffusion inélastique profonde à partir des données H1, La revue physique européenne C (2022). DOI : 10.1140/epjc/s10052-022-10056-y

Fourni par L’Institut Henryk Niewodniczanski de physique nucléaire Académie polonaise des sciences

Citation: L’intérieur des protons est intriqué au maximum (17 mars 2022) récupéré le 18 mars 2022 sur https://phys.org/news/2022-03-interior-protons-maximally-entangled.html

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