العلماء لأول مرة التشابك الكمي المرصودة - وهي حالة تندمج فيها الجسيمات معًا وتفقد فرديتها بحيث لا يمكن وصفها بشكل منفصل - بين الكواركات. هذا الحدث الرائع، الذي تم تحقيقه في CERN، مختبر فيزياء الجسيمات الأوروبي بالقرب من جنيف، سويسرا، يمكن أن يمهد الطريق لمزيد من الدراسات حول المعلومات الكمومية في الجسيمات ذات الطاقات العالية.

تم قياس التشابك في جسيمات مثل الإلكترونات والفوتونات لعقود من الزمن، لكنه ظاهرة حساسة ومن الأسهل قياسها في البيئات منخفضة الطاقة أو "الهادئة"، مثل الثلاجات شديدة البرودة التي أجهزة الكمبيوتر الكمومية يستوعب. تصادمات الجسيمات، مثل تلك التي تحدث بين البروتونات مصادم هادرون الكبير من CERN، بصوت عالٍ وطاقة عالية نسبيًا، مما يجعل قياس التشابك من الحطام أكثر صعوبة - وهو ما يشبه الاستماع إلى الهمس في حفل لموسيقى الروك.

لمراقبة التشابك في LHC، قام الفيزيائيون العاملون على كاشف ATLAS بتحليل حوالي مليون زوج من الكواركات العلوية والكواركات المضادة، وهي أثقل الجسيمات الأولية المعروفة ونظائرها من المادة المضادة. لقد وجدوا أدلة دامغة إحصائيًا على التشابك، والتي أعلنوا عنها في سبتمبر الماضي وفي المجلة اليومطبيعة 1وصف بالتفصيل. كما أكد الفيزيائيون الذين يعملون على الكاشف الرئيسي الآخر في LHC، CMS، ملاحظة التشابك في تقرير نُشر في يونيو على خادم ما قبل الطباعة arXiv 2.

تقول جوليا نيغرو، عالمة فيزياء الجسيمات بجامعة بوردو في ويست لافاييت بولاية إنديانا، والتي شاركت في تحليل CMS: "إنه أمر مثير للاهتمام حقًا، لأنها المرة الأولى التي يمكنك فيها دراسة التشابك عند أعلى الطاقات الممكنة، وهو ما يتم تحقيقه باستخدام مصادم الهادرونات الكبير".

لم يكن لدى العلماء أدنى شك في إمكانية تشابك أزواج الكواركات العلوية. ال النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات - أفضل نظرية حالية حول الجسيمات الأولية والقوى التي تتفاعل من خلالها - تعتمد على ميكانيكا الكم، التي تصف التشابك. ومع ذلك، يقول الباحثون إن القياس الأخير له قيمة.

"أنت حقًا لا تتوقع أن تكون قادرًا على كسر ميكانيكا الكم، أليس كذلك؟" يقول خوان أغيلار سافيدرا، عالم الفيزياء النظرية في معهد الفيزياء النظرية في مدريد. "النتيجة المتوقعة لا ينبغي أن تمنعك من قياس الأشياء المهمة."

قمم عابرة

خلال استراحة لتناول القهوة قبل سنوات، تساءل يوآف أفيك، عالم الفيزياء التجريبية الذي يعمل الآن في جامعة شيكاغو في إلينوي، وخوان مونيوز دي نوفا، عالم فيزياء المواد الصلبة الذي يعمل الآن في جامعة كومبلوتنسي بمدريد، عما إذا كان من الممكن ملاحظة التشابك عند مسرع الاصطدام. تحولت محادثتهم إلى ورقة 3والتي أظهرت طريقة لقياس التشابك باستخدام الكواركات القمية.

تعيش أزواج الكواركات العلوية والكواركات المضادة التي تم إنشاؤها بعد اصطدام البروتونات حياة قصيرة لا يمكن تصورها - 10 فقط-25ثواني. ثم تتحلل بعد ذلك إلى جزيئات أطول عمرًا.

الدراسات السابقة 4لقد كشف أن الكواركات العلوية يمكن أن يكون لها حالات "دوران" مترابطة خلال فترة حياتها القصيرة، وهي خاصية كمومية تتمثل في الزخم الزاوي. كانت رؤية أفيك ومونيوز دي نوفا هي أن هذا القياس يمكن توسيعه لإظهار أن حالات الدوران للكواركات العلوية ليست مترابطة فحسب، بل متشابكة بالفعل. لقد قمت بتحديد المعلمة،دلوصف مستوى الارتباط. لودأصغر من −⅓، فإن الكواركات العلوية متشابكة.

إن جزءًا مما جعل اقتراح أفيك ومونيوز دي نوفا ناجحًا في النهاية هو العمر القصير للكواركات العليا. يقول جيمس هوارث، عالِم الفيزياء التجريبية بجامعة جلاسكو بالمملكة المتحدة، والذي كان جزءًا من تحليل ATLAS مع أفيك ومونيوز دي نوفا: "لا يمكنك أبدًا فعل ذلك باستخدام الكواركات الأخف وزنًا". الكواركات لا تحب الانفصال، لذا فهي تنقسم بعد مرور 10 سنوات فقط-24تبدأ الثواني في الاختلاط لتكوين الهادرونات مثل البروتونات والنيوترونات. لكن الكوارك العلوي يضمحل بسرعة كافية بحيث لا يكون لديه الوقت ليصبح "هادرنيًا" ويفقد معلومات دورانه من خلال الخلط، كما يوضح هوارث. ويضيف بدلًا من ذلك، "يتم نقل كل هذه المعلومات إلى منتجات الاضمحلال". وهذا يعني أن الباحثين يمكنهم قياس خصائص منتجات الاضمحلال للعمل بشكل عكسي واستخلاص الخصائص، بما في ذلك الدوران، للكواركات العلوية الأم.

وبعد إجراء قياس تجريبي لدورات الكواركات العلوية، قارن الفريق نتائجهم مع التوقعات النظرية. لكن نماذج إنتاج الكواركات القمية وتحللها لم تتفق مع قياسات الكاشف.

واجه الباحثون في ATLAS وCMS الشكوك بطرق مختلفة. على سبيل المثال، وجد فريق CMS أن إضافة "التبونيوم" - وهي حالة افتراضية يتم فيها ربط الكوارك العلوي والكوارك المضاد معًا - إلى تحليلاتهم ساعد في تحسين التوفيق بين النظرية والتجربة.

في النهاية، وصلت كلتا التجربتين بسهولة إلى حد التشابك −⅓، باستخدام ATLASدمع .50.537 وCMS مع .40.480.

وضع التاج

إن النجاح في مراقبة التشابك في الكواركات القمية يمكن أن يحسن فهم الباحثين لفيزياء الكواركات القمية، ويمهد الطريق لاختبارات التشابك عالية الطاقة في المستقبل. جزيئات أخرى، مثل بوزون هيغز ويمكن حتى استخدامها لإجراء اختبار بيل، وهو دراسة أكثر صرامة للتشابك.

يقول أفيك إن تجربة الكوارك العلوي يمكن أن تغير طريقة تفكير الفيزيائيين. يقول: "كان من الصعب بعض الشيء في البداية إقناع المجتمع" بأن الدراسة تستحق الوقت الذي نخصصه لها. بعد كل شيء، التشابك هو حجر الزاوية في ميكانيكا الكم، وقد تم التحقق منه مرارا وتكرارا.

لكن حقيقة أن التشابك لم يتم استكشافها بشكل كامل في المناطق عالية الطاقة هي سبب كافٍ لأفيك وأتباع هذه الظاهرة الآخرين. يقول هوارث: "لقد أدرك الناس أنه يمكنك الآن البدء في استخدام مسرعات تصادم الهادرونات وأنواع أخرى من المسرعات لهذه الاختبارات".