研究者らは、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）での陽子衝突において、カオスなクォーク・グルーオン状態から安定粒子への移行中にエントロピーが一定であることを発見した。この予想外の安定性は、量子力学のユニタリティ原理の直接的な署名である。この発見は、洗練されたモデルとLHCデータに基づき、プロセスの無秩序に関する初期の直感に挑戦する。
大型ハドロン衝突型加速器（LHC）での高エネルギー陽子衝突は、クォークとグルーオンの短く密度の高い状態を生み出し、粒子が沸騰する海のように見え、その後検出可能なハドロンに冷却される。直感的には、この初期のカオスに見える段階から後期のより秩序立った段階への移行は、システムのエントロピー、すなわち無秩序の尺度を変えるはずである。しかし、LHC実験のデータは、エントロピーが全過程で変化しないことを示し、期待に反する。
ポーランド科学アカデミー核物理学研究所（IFJ PAN）のクラクフのKrzysztof Kutak教授とSandor Lokos博士は、Physical Review Dに分析を発表した。彼らは、グルーオンをカラー電荷を持つクォーク-反クォーク対として表すディポールモデルを洗練し、グルーオン系の進化をより良く記述した。「衝突で生成されるハドロンの平均数に基づくディポールモデルにより、パルトンのエントロピーを推定できる」とKutak教授は説明した。
2年前、Kutakとストックホルム大学のPawel Caputa博士は、低エネルギーでの関連効果を統合し、複雑性理論からモデルを強化した。ALICE、ATLAS、CMS、LHCb実験のデータ（0.2から13テラ電子ボルト）でテストされ、一般化モデルは先行モデルを上回った。「一般化ディポールモデルは既存データを以前のディポールモデルより正確に記述し、より広い陽子衝突エネルギー範囲で良好に機能することを示した」とKutak教授は述べた。
この一定性はKharzeev-Levinの式と一致し、量子力学のユニタリティから生じ、確率を保存し可逆プロセスを可能にする。「量子力学のユニタリティは物理学生が学ぶものだ…クォークとグルーオンのレベルで理論が特定の特徴を示すのは一つのこと…実データで観測するのは全く別のことだ」とKutak教授は指摘した。
将来の検証は、LHCアップグレードによるALICE検出器の強化による高密度グルーオン研究と、Brookhaven National Laboratoryで建設中のElectron-Ion Colliderによる電子-陽子衝突でのより直接的なグルーオン系探査から得られる。