Pytanie o to, czy w takim chaosie zostaje zachowana pełna informacja o stanie początkowym, dotyka samych podstaw naszego rozumienia rzeczywistości. Odpowiedź może wydawać się nieuchwytna, jednak najnowsze badania, w których kluczową rolę odegrali polscy naukowcy, przynoszą niezwykle przekonujące argumenty.
Okazuje się, że entropia oddziałujących kwarków i gluonów jest praktycznie identyczna z entropią hadronów, które ostatecznie wylatują z miejsca kolizji. To odkrycie, choć z pozoru techniczne, stanowi mocny, eksperymentalny dowód na działanie jednej z najważniejszych zasad mechaniki kwantowej, zwanej unitarnością. Zasada ta głosi, że w zamkniętym układzie kwantowym informacja nie może po prostu zniknąć ani zostać stworzona z niczego.
Nowy model lepiej opisuje rzeczywistość
Kluczem do tego osiągnięcia był opracowany przez prof. Krzysztofa Kutaka z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN i dra Pawła Caputę z Uniwersytetu Sztokholmskiego uogólniony model dipolowy. Modele te służą do opisu ewolucji gęstych układów gluonów, gdzie każdy gluon przedstawiany jest jako dipol złożony z pary kwark-antykwark. Nie chodzi tu o zwykłe barwy, ale o kwantową właściwość zwaną ładunkiem kolorowym.
Przełom nastąpił dzięki zauważeniu związku między równaniami stosowanymi w fizyce wysokich energii a tymi z teorii złożoności. To pozwoliło na uwzględnienie subtelnych efektów, które wcześniejsze modele pomijały. Aby przetestować nowe podejście, dr Sandor Lokos z IFJ PAN zaproponował wykorzystanie ogromnej ilości danych z czterech głównych eksperymentów LHC: ALICE, ATLAS, CMS i LHCb. Analizą objęto zderzenia w szerokim spektrum energii, od 0,2 do aż 13 teraelektronowoltów.
Czytaj także: LHC odkrył egzotyczne tetrakwarki. Pierwsze pomiary właściwości kwantowych
Efekt przerósł oczekiwania. Uogólniony model dipolowy nie tylko przewidywał wyniki z większą dokładnością niż jego poprzednicy, ale także sprawdzał się w znacznie szerszym zakresie energii zderzeń. To bardzo istotne, ponieważ daje fizykom potężniejsze narzędzie do opisu tego, co dzieje się w ekstremalnie gęstych i gorących stanach materii.
Unitarność w akcji. Informacja się nie gubi
Najważniejszym wnioskiem z badań jest obserwacja stałości entropii. Entropia, będąca miarą nieuporządkowania systemu, praktycznie się nie zmienia podczas przejścia z początkowego stanu kwarków i gluonów do końcowej chmury hadronów. Dla laika to nieco zaskakujące – jak w tak gwałtownym i chaotycznym procesie nic się nie „rozmywa”?
Odpowiedź leży właśnie w unitarności mechaniki kwantowej. Jest to podstawa formalizmu chromodynamiki kwantowej, czyli teorii opisującej oddziaływania kwarków i gluonów. Każdy student fizyki poznaje tę zasadę na wczesnym etapie, ale zupełnie inną rzeczą jest zobaczyć jej działanie w twardych danych pochodzących z najbardziej zaawansowanego laboratorium na świecie.
To potwierdzenie unitarności w ekstremalnych warunkach LHC jest niezwykle ważne. Pokazuje, że fundamentalne zasady kwantowe, wypracowane w zaciszach gabinetów teoretyków, wytrzymują próbę w najbardziej wymagających eksperymentach. Daje to też fizykom nową metodę na badanie własności kwarków i gluonów w różnych energiach z przekonaniem, że informacja o ich stanie nie ulega zatarciu.
Co dalej?
Choć wyniki są bardzo obiecujące, pełna weryfikacja modelu musi poczekać na nowe narzędzia. Kolejny krok nastąpi na początku przyszłej dekady, gdy do użytku wejdzie zmodernizowany detektor ALICE. Będzie on mógł badać jeszcze gęstsze obszary gluonowe niż obecnie, otwierając okno na warunki jeszcze bliższe tym z pierwszych mikrosekund po Wielkim Wybuchu.
Czytaj także: Wielki Zderzacz Hadronów odkrywa kwantową magię. Nowy kierunek badań w CERN
Równie ciekawie zapowiada się Electron-Ion Collider, który powstaje obecnie w Brookhaven National Laboratory w USA. W tym akceleratorze elektrony będą zderzane z protonami. Ponieważ elektrony są cząstkami elementarnymi, taki układ pozwoli na precyzyjne badanie gęstych układów gluonowych wewnątrz pojedynczych protonów, oferując inną perspektywę niż zderzenia dwóch złożonych protonów w LHC.
Praca polsko-szwedzkiego zespołu to dobry przykład na to, że nawet w dojrzałych dziedzinach nauki wciąż można dokonywać fundamentalnych postępów. Potwierdzenie unitarności w danych z LHC nie jest spektakularnym odkryciem nowej cząstki, ale ma głębszy wymiar – utwierdza nas w przekonaniu, że rozumiemy podstawowe reguły gry nawet w skrajnych warunkach.