Keterikatan kuantum yang 'menyeramkan' ditemukan di dalam masing-masing proton untuk pertama kalinya
Para ilmuwan telah mengintip ke dalam proton dan menemukan bahwa quark dan gluon, bahan penyusun fundamentalnya, mengalami pengalaman keterikatan kuantum.
Partikel-partikel yang terjerat saling terhubung satu sama lain, sehingga perubahan pada salah satu partikel secara instan menyebabkan perubahan pada partikel lainnya, meskipun partikel-partikel tersebut dipisahkan oleh jarak yang sangat jauh. Albert Einstein terkenal menolak gagasan tersebut sebagai “aksi seram dari jarak jauh”, namun eksperimen selanjutnya membuktikan bahwa efek aneh yang merusak lokalitas itu nyata.
Fisikawan punya mengamati keterjeratan antara quark sebelumnya tetapi belum pernah menemukan bukti bahwa mereka berada dalam keadaan terhubung secara kuantum di dalam proton.
Kini, tim peneliti telah menemukan keterikatan antara quark dan gluon di dalam proton pada jarak sepersejuta meter – memungkinkan partikel untuk berbagi informasi melalui proton. Para peneliti mempublikasikan temuan mereka pada 2 Desember 2024 di jurnal Laporan Kemajuan Fisika.
“Selama beberapa dekade, kami memiliki pandangan tradisional tentang proton sebagai kumpulan quark dan gluon, dan kami fokus pada pemahaman yang disebut sifat partikel tunggal, termasuk bagaimana quark dan gluon didistribusikan di dalam proton,” rekan penulis studi Zhoudunming Tuseorang fisikawan di Brookhaven National Laboratory di Upton, New York, mengatakan dalam sebuah pernyataan. “Sekarang, dengan bukti bahwa quark dan gluon saling terkait, gambaran ini telah berubah. Kita memiliki sistem yang jauh lebih rumit dan dinamis.”
'Aksi seram' pada skala terkecil
Bukti eksperimental keterjeratan kuantum pertama kali muncul pada tahun 1970annamun banyak aspek dari fenomena ini yang masih relatif belum dijelajahi — termasuk interaksi yang terjerat antar quark. Hal ini terutama karena partikel subatom tidak berdiri sendiri dan malah menyatu menjadi berbagai kombinasi partikel yang dikenal sebagai hadron. Misalnya, baryon, seperti proton dan neutron, adalah kombinasi tiga quark yang terikat erat satu sama lain kekuatan yang kuat-membawa gluon.
Saat quark terpisah dari hadron, energi yang digunakan untuk mengekstraksinya membuat quark menjadi tidak stabil, mengubahnya menjadi pancaran partikel yang bercabang dalam proses yang disebut hadronisasi. Hal ini membuat tugas menyaring triliunan produk peluruhan partikel untuk merekonstruksi keadaan aslinya menjadi sangat sulit.
Tapi itulah yang dilakukan para peneliti. Untuk menyelidiki cara kerja proton, para ilmuwan menambang data yang dikumpulkan oleh Penumbuk Hadron Besar (LHC) dan eksperimen penumbuk partikel Hadron-Electron Ring Accelerator (HERA).
Kemudian mereka menerapkan prinsip dari ilmu informasi kuantum yang mengatakan entropi suatu sistem (ukuran berapa banyak keadaan energi yang dapat diatur dalam suatu sistem, sering salah disebut sebagai “gangguan”) meningkat seiring dengan keterjeratannya — menyebabkan distribusi semprotan partikel tampak lebih berantakan.
Dengan membandingkan semprotan partikel dengan perhitungan entropinya, para fisikawan menemukan bahwa quark dan gluon di dalam proton yang bertabrakan berada dalam keadaan terjerat secara maksimal, masing-masing berbagi informasi sebanyak mungkin.
“Entropi biasanya diasosiasikan dengan ketidakpastian pada suatu informasi, sedangkan keterjeratan mengarah pada ‘berbagi’ informasi antara dua pihak yang terjerat. Jadi keduanya bisa saling terkait dalam mekanika kuantum,” kata Tu kepada Live Science melalui email. “Kami menggunakan prediksi entropi (dengan asumsi keterjeratan) untuk memeriksa data yang ada, dan kami menemukan kesepakatan yang bagus.”
Para ilmuwan mengatakan penemuan mereka dapat membantu mendapatkan lebih banyak wawasan tentang partikel fundamental – seperti bagaimana quark dan gluon tetap terkurung dalam proton. Penelitian ini juga menimbulkan pertanyaan lebih lanjut tentang bagaimana keterjeratan berubah ketika proton terkunci di dalam inti atom.
“Karena inti atom terbuat dari proton dan neutron, wajar jika kita bertanya-tanya apa dampak keterikatan terhadap struktur inti atom,” kata Tu. “Kami berencana menggunakan penumbuk elektron-ion (EIC) untuk mempelajari hal ini. Ini akan terjadi dalam 10 tahun. Sebelumnya, beberapa jenis tumbukan, yang disebut tumbukan ultra-periferal dalam tumbukan ion berat, mungkin juga bisa digunakan.”
