科学家们近日揭示了质子内部结构的一个全新层面，通过高能粒子碰撞数据观察到了质子内部夸克与胶子之间的量子纠缠现象。这一发现由美国能源部下属的布鲁克海文国家实验室的研究团队及其合作者共同完成，相关研究成果已发表在《物理学进展报告》上。
质子，作为构成原子核的基本粒子，一直以来都被视为由夸克和胶子组成的集合体。然而，这次的研究发现，这些夸克和胶子之间存在着一种被称为量子纠缠的奇异现象。量子纠缠是一种即使粒子相隔很远，也能瞬间知晓彼此状态的能力，爱因斯坦曾将其描述为“远距离的幽灵般的动作”。在质子内部，这种纠缠发生在极短的距离内，影响了整个夸克和胶子组。
研究团队利用量子信息科学的理论，通过电子-质子碰撞实验的数据，绘制了粒子轨迹流如何受到质子内部量子纠缠影响的图像。他们发现，纠缠不仅改变了碰撞后释放的夸克和胶子的分布，还影响了从碰撞点以不同角度出现的稳定粒子的分布。这一发现为质子内部结构的研究增添了新的复杂性。
论文的合著者之一、物理学家Tu表示，过去几十年里，科学家们一直将质子视为由夸克和胶子组成的静态集合，而现在的研究表明，这些粒子实际上是纠缠在一起的，形成了一个更复杂、更动态的系统。这一发现不仅完善了我们对质子结构的理解，还可能为其他科学领域中纠缠现象的研究提供新的见解。
为了验证这一发现，科学家们分析了欧洲大型强子对撞机的质子-质子碰撞数据，并挖掘了德国汉堡强子-电子环加速器（HERA）的旧数据。通过比较实验数据与量子纠缠的熵计算，他们发现结果完全吻合，进一步证实了质子内部夸克和胶子的最大纠缠状态。
量子纠缠的揭示不仅揭示了质子内部强力相互作用的性质，还可能为理解夸克和胶子如何被局限在质子内提供更多线索。Tu指出，纠缠是一种系统范围的交互，发生在所有粒子之间，而不仅仅是两个粒子之间。这种集体纠缠现象可能使核物理学和粒子物理学中的一些复杂问题变得更容易理解。
未来，科学家们计划利用这一新方法来探索更多关于质子和其他原子核内部结构的奥秘。特别是即将在布鲁克海文实验室开放的电子离子对撞机（EIC）实验，将为他们提供一个更强大的研究平台。通过EIC实验，科学家们可以观察处于原子核中的质子如何受到核环境的影响，以及这种环境是否会对质子的纠缠状态产生影响。
这一研究不仅深化了我们对质子内部结构的认识，还为探索量子纠缠在核物理学和粒子物理学中的广泛应用奠定了基础。随着研究的深入，我们有望揭开更多关于物质基本组成的秘密。
