近日，一项由包括波兰科学院核物理研究所(IFJ PAN)研究人员在内的国际科学家团队共同完成的研究，揭示了质子内部结构的全新面貌。研究发现，质子内部的量子纠缠达到了最大程度，这一发现为理解质子的基本组成和性质提供了新的视角。相关研究成果已发表在《物理学进展报告》杂志上。
在与质子发生深度非弹性碰撞时，相对论电子(以蓝色突出显示)可以发射高能光子(此处为紫色)，该光子穿透质子内部，在那里它只能“看到”一小部分纠缠的夸克、胶子和虚拟粒子。激发的质子随后以次级粒子级联形式衰变。(来源：IFJ PAN，jch)
量子纠缠是一种神秘而令人着迷的现象，它描述了两个或多个粒子之间即使相距甚远，其属性也似乎紧密相关的特性。一个粒子状态的改变会立即影响另一个粒子的状态，这完全违背了信息传输的经典思想。而在这项研究中，科学家利用这一奇特现象，深入探索了质子的内部结构。
为了揭示质子内部的秘密，科学家采用了电子和质子的深度非弹性碰撞方法。在碰撞过程中，电子发射出高能光子，这些光子能够穿透质子并与其内部的夸克和胶子发生相互作用。随着质子的破坏，会形成一系列次级粒子的级联。科学家通过对这些粒子的分析，逐步拼凑出了质子的内部结构。
令人惊讶的是，研究人员发现质子内部的夸克和胶子处于最大量子纠缠状态。这意味着质子内部的所有粒子都是相互连接的，它们的性质无法彼此独立地描述。为了更准确地量化这种纠缠程度，科学家引入了纠缠熵的概念。研究发现，关于质子内部结构的信息越少，纠缠熵就越高，这进一步证实了质子内部量子纠缠的复杂性。
这项研究不仅揭示了质子内部结构的新特性，还为粒子加速器实验的数据解释提供了更准确的方法。例如，德国汉堡电子同步加速器(DESY)的HERA和美国布鲁克海文国家实验室未来的电子离子对撞机(EIC)等实验，都将受益于这一新发现。通过这一方法，科学家可以更深入地理解强相互作用如何将质子中的夸克和胶子结合在一起，以及质子的性质在原子核内部如何变化。
展望未来，科学家计划继续深化这一领域的研究，以更好地了解强相互作用的本质以及量子纠缠在物质形成中的作用。这一研究方向不仅有望为核物理学和量子理论带来新发现，还可能对未来的科学技术发展产生深远影响。
此项研究由布鲁克海文国家实验室(BNL)、石溪大学(SBU)、普埃布拉美洲大学(UDLAP)和波兰科学院核物理研究所(IFJ PAN)的科学家共同参与完成。
