高能質子碰撞可以想像為夸克和膠子的湍流海洋，其中包括短命的虛擬粒子。乍一看，這種極端環境似乎比後期復雜得多，從撞擊點飛走的粒子更少、更穩定。在這個初始階段，粒子的行為預計會非常不同。但大型強子對撞機（LHC）的數據表明，這種直覺具有誤導性。精確的模型可以更好地解釋結果，該模型捕獲了質子碰撞的實際發生方式。
當兩個質子以非常高的能量碰撞時，瞬間就會發生巨大的變化。質子是強子，這意味著它們是由部分子組成的，部分子包括夸克和將它們結合在一起的膠子。在碰撞中，這些夸克和膠子，包括短暫出現的虛擬夸克和膠子，以復雜的方式相互作用。當系統冷卻時，夸克結合形成新的強子，這些強子向外散射並被實驗檢測到。根據這張圖片，系統的無序性（稱為熵）應該在早期粒子相和後期強子相之間發生變化，這似乎是合理的。粒子階段看起來特別混亂，許多粒子同時相互作用。
質子碰撞熵的新研究
關於這個問題的最新發現發表在克拉科夫波蘭科學院核物理研究所（IFJ PAN）的 Krzysztof Kutak 教授和 Sandor Lokos 博士的《Physical Review D》上。他們的工作重點是產生夸克-膠子相的初始熵，並將其與測量的粒子熵進行比較。
“在高能物理學中，所謂的偶極子模型長期以來一直被用來描述稠密膠子系統的演化。這些模型假設每個膠子都可以用夸克-反夸克對來表示，形成兩種顏色的偶極子。這裡我們討論的不是普通顏色，而是基於膠子平均偶極子量子特性的色荷，可以計算膠子碰撞中偶極子的平均數量。部分子熵來計算”，教授解釋道庫塔克研究夸克膠子系統的熵已有十多年。
用新思路改進偶極子模型
兩年前，斯德哥爾摩大學的 Kutak 博士和 Pawel Caputa 提出了偶極子模型的更新版本。他們從一個描述膠子系統如何演化的既定模型開始，並將其視為主要貢獻。然後，他們添加了在較低碰撞能量下產生的強子較少的重要附加效應。這一進展之所以成為可能，是因為研究人員確定了偶極子模型中使用的方程與復雜性理論中發現的方程之間的聯繫。
為了測試這個通用偶極子模型，洛科斯博士建議將其與大型強子對撞機的真實實驗數據進行比較。包括 ALICE、ATLAS、CMS 和 LHCb 實驗的測量結果。這些數據涵蓋了從 0.2 太電子伏到 13 TeV 的廣泛碰撞能量，這是大型強子對撞機目前可實現的最高能量。
庫塔克教授說：“我們的論文表明，廣義偶極子模型比以前的偶極子模型更準確地描述了現有數據，並且在更廣泛的質子碰撞能量上也表現良好。”
熵與量子力學的基本規則
這就提出了一個關鍵問題。質子碰撞的夸克和膠子主導階段的熵與後來逃離碰撞場的強子的熵不同嗎？根據哈爾澤夫-萊文熵公式，它不應該。新的分析證實了這一預測。儘管這一結果令一些物理學家感到驚訝，但其他人認為這是量子力學最基本原理之一（稱為么正性）的自然結果。
這個單位可能看起來很抽象，但這個想法本身是正確的。描述量子系統如何隨時間演化的方程必須守恆總概率，該概率總是收斂的，並且必須允許該過程逆轉。簡單來說，統一性就是信息和概率不能消失或憑空出現。
“量子力學的酉性是物理系學生學習的東西。量子色動力學的形式主義，描述夸克和膠子世界的理論，是基於酉性的。然而，每天面對一個在夸克和膠子水平上表現出某種特徵的理論是一回事”，庫塔克教授指出。他補充說，該單位允許提取有關寬範圍碰撞能量中部分子熵的信息。
接下來測試模型的步驟是什麼
預計未來幾年將對廣義偶極子模型進行進一步測試。在大型強子對撞機計劃升級之後，改進後的 ALICE 探測器將能夠探測比之前研究的膠子相互作用更密集的區域。預計還將獲得有關美國布魯克海文國家實驗室正在建設的電子離子對撞機（EIC）的更多信息。在 EIC 中，電子將與質子碰撞。由於電子是基本粒子，這些實驗將為研究單個質子內部的緻密膠子系統提供更清晰的方法。
