L’intérieur des protons présente un enchevêtrement quantique maximal – Peut partager une physique commune avec les trous noirs

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, permet de supposer qu’à certains égards la physique de l’intérieur d’un proton peut avoir beaucoup de points communs 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 au maximum intriqués les uns avec les autres, sinon les prédictions théoriques ne seraient pas d’accord avec les données recueillies dans les expériences, il a été montré dans European Physical Journal C. Le modèle théorique (qui étend la proposition originale des physiciens Dimitri Kharzeev et Eugene Levin) permet de supposer que, contrairement à la croyance courante, 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 la relier 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, 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 « tenir » 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. Nous avons montré qu’il existe un enchevêtrement 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 provenant de la partie non observée du proton est déterminé par le nombre de particules vues dans le 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 soit un côté de la médaille et que l’autre objet soit 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 le suggèrent Kharzeev et Levin. En pratique, cela signifie que nous n’avons aucune chance de prédire si, en raison de 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 au[{” attribute=””>DESY center in Hamburg, where positrons (i.e. antiparticles of the electrons) were collided with protons until 2007. Such discrepancies were not observed.

The success of the Polish-Mexican tandem is due to the fact that the researchers managed to correctly identify the factors responsible for the maximum entanglement of the proton interior.

In the naive schoolbook view, the proton is a system of three elementary particles: two up quarks and one down quark. However, the strong interactions between these quarks, carried by gluons, can be so strong that they lead to the creation of virtual particle-antiparticle pairs. These can be not only pairs of virtual gluons (which are their own antiparticles), but also pairs made up of any quark and its corresponding antiparticle (even one as massive as charm). All this means that inside the proton, apart from three valence quarks, there are constantly ‘boiling’ seas of virtual gluons and virtual quarks and antiquarks.

“In earlier publications, physicists dealing with the subject assumed that the source of entanglement should be a sea of gluons. Later, attempts were made to show that quarks and antiquarks are the dominant source of entanglement, but even here the proposed methods of description did not stand the test of time. Meanwhile, according to our model, verified by confrontation with experimental data, the sea of virtual gluons is responsible for about 80% of the entanglement, while the sea of virtual quarks and antiquarks is responsible for the remaining 20%,” emphasizes Dr. Kutak.

Most recently, quantum physicists have been associating entropy with the state inside a proton. This is a quantity well known from classical thermodynamics, where it is used to measure the degree of disordered motion of particles in an analyzed system. It is assumed that when a system is disordered, it has high entropy, whereas an ordered system has low entropy. It has recently been shown that in the case of the proton, we can successfully talk about entanglement entropy. However, many physicists have considered the proton to be a pure quantum state in which one should not speak of entropy at all. The consistency of the Mexican-Polish model with experiment is a strong argument for the fact that the concept of entanglement inside the proton as proposed by Kharzeev and Levin has a point. Last but not least, since entanglement entropy is also related to concepts such as the surface area of black holes, the latest result opens an interesting field for further research.

Reference: “Evidence for the maximally entangled low x proton in Deep Inelastic Scattering from H1 data” by Martin Hentschinski and Krzysztof Kutak, 4 February 2022, The European Physical Journal C.
DOI: 10.1140/epjc/s10052-022-10056-y

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