数十億キロメートルの寸法を持つブラック ホール (左、イベント ホライズン テレスコープによって画像化) は、原子核の衝突で生成された亜原子グルオンの密な状態 (右) と特徴を共有しています。 クレジット: Event Horizon Telescope Collaboration (左) と Brookhaven National Laboratory (右)。
物理学者は、ブラックホールと、核物質を一緒に保持する役割を担う「接着剤」粒子であるグルオンの密集状態が、同様の特性を持っていることを実証しました。
科学
物理学者は、原子核内の強力な核力の原因である高密度のグルオン状態と、宇宙の巨大なブラック ホールとの間の顕著な対応を明らかにしました。 カラー ガラス凝縮体 (CGC) と呼ばれる高密度のグルオン壁は、原子核間の衝突から発生し、わずか 10 の非常に小さいサイズです。-19 キロメートルのサイズ — 10 億分の 1 キロメートル未満。 まったく対照的に、ブラック ホールは数十億キロにも及ぶことがあります。
この画期的な研究により、両方のシステムが密集して配置された自己相互作用力キャリア粒子で構成されていることが明らかになりました。 CGC の場合、これらの粒子はグルーオンですが、ブラック ホールではグラビトンです。 CGC 内のグルオンとブラック ホール内のグラビトンの組織化は、それぞれのシステムのエネルギーとサイズに対して最適化されています。
インパクト
CGC とブラック ホールの高度な秩序は、粒子の特徴に関する可能な最大量の量子「情報」を詰め込んだ各システムによって駆動されます。 これには、それらの空間分布、速度、および集合力が含まれます。 このような「情報」コンテンツの制限は普遍的です。 これは、研究が、量子情報科学がこれらの大きく異なるシステムを理解するための新しい組織化原理を提供できることを示唆していることを意味します。
これらのシステム間の数学的対応は、それぞれを研究することで、他のシステムの理解を深めることができることも意味します。 特に興味深いのは、重力衝撃波の比較です。[{” attribute=””>black hole mergers with gluon shockwaves in nuclear collisions.
Summary
Scientists study the strong force in nuclear collisions. For example, at the Relativistic Heavy Ion Collider, a Department of Energy user facility, atomic nuclei accelerated close to the speed of light become dense walls of gluons known as color glass condensate (CGC). When the nuclei collide, CGC evolves to form a nearly perfect liquid of quarks and gluons, the fundamental building blocks that make up all visible matter.
Though the strong force operates at subatomic scales, this recent analysis by scientists at Ludwig Maximilian University of Munich, the Max Planck Institute for Physics, and Brookhaven National Laboratory shows that CGC shares features with black holes, enormous conglomerates of gravitons that exert gravitational force across the universe.
Both sets of self-interacting particles appear to organize themselves in a way that satisfies a universal limit on the amount of entropy, or disorder, that can exist in each system. This mathematical correspondence points to similarities between black hole formation, thermalization, and decay and what happens when walls of gluons collide in nuclear collisions at ultrarelativistic speeds—near the speed of light.
The limit on entropy that drives this correspondence is related to maximal information packing—a key feature of quantum information science (QIS). QIS may therefore further inform scientists’ understanding of gluons, gravitons, CGC, and black holes. This approach may also advance the design of quantum computers that use cold atoms to simulate and address questions about these complex systems.
Reference: “Classicalization and unitarization of wee partons in QCD and gravity: The CGC-black hole correspondence” by Gia Dvali and Raju Venugopalan, 29 March 2023, Physical Review D.
DOI: 10.1103/PhysRevD.105.056026
The study was fudned by the Department of Energy Office of Science, Nuclear Physics program, the Humboldt Foundation, and the German Research Foundation.