Tymczasem dane z Large Hadron Collider (LHC) pokazują coś zaskakującego: stopień „chaosu”, mierzony entropią, pozostaje taki sam. A wszystko to da się opisać nowym, udoskonalonym modelem teoretycznym — w pełnej zgodzie z fundamentalnymi zasadami mechaniki kwantowej.

Co naprawdę dzieje się w zderzeniu protonów?

Protony należą do hadronów, czyli cząstek złożonych z kwarków spajanych przez gluony. Przy bardzo wysokich energiach zderzeń kwarki i gluony tworzą gęsty, dynamiczny układ, w którym zachodzą złożone procesy kwantowe. Dopiero po krótkim czasie układ „stygnie”, a kwarki łączą się w nowe hadrony, które są następnie rejestrowane przez detektory.

Reklama

Naturalne pytanie brzmi: czy entropia - miara liczby możliwych stanów układu - jest taka sama w fazie partonowej (kwarki i gluony), jak w fazie hadronowej (gotowe cząstki)?

Nowy model i test na danych z LHC

Odpowiedzi na to pytanie dostarczyli prof. Krzysztof Kutak i dr Sándor Lökös z Instytut Fizyki Jądrowej PAN, publikując swoje wyniki w czasopiśmie Physical Review D. Naukowcy wykorzystali i rozwinęli tzw. model dipolowy, który opisuje ewolucję gęstych układów gluonów.

Kluczowym krokiem było uwzględnienie nie tylko dominujących efektów wysokich energii, ale także subtelniejszych zjawisk istotnych przy niższych energiach zderzeń. Tak powstał uogólniony model dipolowy, który następnie porównano z rzeczywistymi danymi eksperymentalnymi.

Reklama

Do testów wykorzystano wyniki z czterech głównych eksperymentów LHC: ALICE, ATLAS, CMS oraz LHCb - obejmujące energie od 0,2 do 13 teraelektronowoltów.

Nowy model lepiej opisuje dane niż wcześniejsze podejścia i działa poprawnie w znacznie szerszym zakresie energii.

Zaskakująca równość entropii

Najciekawszy wniosek dotyczy entropii. Wyniki potwierdzają hipotezę Kharzeeva i Levina, zgodnie z którą entropia w fazie kwarkowo-gluonowej jest taka sama jak entropia hadronów opuszczających miejsce zderzenia.

Choć brzmi to nieintuicyjnie, ma głębokie uzasadnienie w jednej z najważniejszych zasad fizyki kwantowej - unitarności.

Unitarność: informacja nie ginie

Unitarność oznacza, że suma prawdopodobieństw wszystkich możliwych procesów zawsze wynosi 1, informacja w układzie kwantowym nie może zniknąć ani pojawić się znikąd, a ewolucja układu jest w zasadzie odwracalna.

Innymi słowy: nawet jeśli proces wygląda chaotycznie, na fundamentalnym poziomie rządzą nim ścisłe reguły. To właśnie dlatego entropia „kipiących” kwarków i gluonów może być taka sama jak entropia znacznie spokojniejszych hadronów rejestrowanych w detektorach.

Nowy model będzie można dokładniej sprawdzić po modernizacji LHC, gdy ulepszony detektor ALICE umożliwi badania jeszcze gęstszych układów gluonów. Ogromne znaczenie będą miały także przyszłe dane z akceleratora EIC (Electron–Ion Collider) w USA, gdzie elektrony będą zderzane z protonami, pozwalając zajrzeć w ich wnętrze z niespotykaną dotąd precyzją.

Badania te pokazują, że:

  • nawet najbardziej złożone procesy w fizyce cząstek podlegają fundamentalnym zasadom,
  • dane eksperymentalne mogą bezpośrednio testować podstawy mechaniki kwantowej,
  • lepsze modele zderzeń protonów pomagają zrozumieć, jak powstaje materia w ekstremalnych warunkach — podobnych do tych, jakie panowały we wczesnym Wszechświecie.

To kolejny przykład, jak nowoczesne eksperymenty i teoria wspólnie odsłaniają głęboką strukturę rzeczywistości.

Źródło: Instytut Fizyki Jądrowej im. Henryka Niewodniczańskiego PAN