Vědci poprvé Kvantové zapletení pozorovaný — stav, kdy se částice spojují a ztrácejí svou individualitu, takže je již nelze popsat odděleně — mezi kvarky. Tato pozoruhodná událost, dosažená v CERN, evropské laboratoři částicové fyziky poblíž Ženevy ve Švýcarsku, by mohla připravit cestu pro další studium kvantové informace v částicích o vysokých energiích.

Zapletení bylo měřeno v částicích, jako jsou elektrony a fotony, po celá desetiletí, ale jde o choulostivý jev a nejsnáze se měří v nízkoenergetických nebo „tichých“ prostředích, jako jsou ultrachladné chladničky, které Kvantové počítače ubytovat. Srážky částic, jako jsou srážky mezi protony Velký hadronový urychlovač z CERNu, jsou poměrně hlasité a vysokoenergetické, takže je mnohem obtížnější měřit zapletení z trosek – podobně jako naslouchání šepotu na rockovém koncertě.

Fyzici pracující na detektoru ATLAS pro pozorování zapletení na LHC analyzovali asi milion párů top a antitop kvarků – nejtěžších ze všech známých elementárních částic a jejich antihmotových protějšků. Našli statisticky zdrcující důkazy o zapletení, které oznámili loni v září a dnes v JournalPříroda 1podrobně popsat. Fyzikové pracující na dalším hlavním detektoru LHC, CMS, také potvrdili pozorování zapletení ve zprávě zveřejněné v červnu na předtiskovém serveru arXiv. 2.

"Je to opravdu zajímavé, protože je to poprvé, co můžete studovat zapletení při nejvyšších možných energiích, kterých je dosaženo pomocí LHC," říká Giulia Negro, částicová fyzička na Purdue University ve West Lafayette, Indiana, která se podílela na analýze CMS.

Vědci nepochybovali o tom, že páry top kvarků mohou být propleteny. The Standardní model částicové fyziky — současná nejlepší teorie o elementárních částicích a silách, kterými interagují — je založena na kvantové mechanice, která popisuje zapletení. Přesto vědci tvrdí, že nejnovější měření má hodnotu.

"Opravdu nečekáte, že budete schopni prolomit kvantovou mechaniku, že?" říká Juan Aguilar-Saavedra, teoretický fyzik z Institutu teoretické fyziky v Madridu. "Očekávaný výsledek by vám neměl bránit v měření důležitých věcí."

Přechodné vrcholy

Během přestávky na kávu před lety Yoav Afik, experimentální fyzik nyní na Chicagské univerzitě v Illinois, a Juan Muñoz de Nova, fyzik pevných látek nyní na Complutense University v Madridu, přemýšleli, zda je možné pozorovat zapletení na urychlovači kolize. Jejich rozhovor se změnil v papír 3, která demonstrovala způsob měření provázanosti pomocí top kvarků.

Páry top a antitop kvarků vytvořené po srážce protonů žijí nepředstavitelně krátké životy – pouhých 10−25sekundy. Poté se rozpadají na částice s delší životností.

Předchozí studia 4odhalili, že top kvarky mohou mít během své krátké životnosti korelované „spinové“ stavy, což je kvantová vlastnost, která je momentem hybnosti. Afik a Muñoz de Nova zjistili, že toto měření by mohlo být rozšířeno tak, aby ukázalo, že spinové stavy top kvarků nejen korelují, ale jsou ve skutečnosti provázané. Definovali jste parametr,Dpopsat úroveň korelace. LiDje menší než −⅓, top kvarky jsou zapletené.

Část toho, co nakonec učinilo návrh Afika a Muñoze de Nova úspěšným, je krátká životnost top kvarků. „S lehčími kvarky byste to nikdy nedokázali,“ říká James Howarth, experimentální fyzik z University of Glasgow ve Velké Británii, který byl součástí analýzy ATLAS spolu s Afikem a Muñoz de Nova. Kvarky se nerady oddělují, takže se rozdělují již po 10−24Sekundy se začnou mísit za vzniku hadronů, jako jsou protony a neutrony. Ale top kvark se rozpadá dostatečně rychle, takže nemá čas se „hadronizovat“ a ztratit svou spinovou informaci míšením, vysvětluje Howarth. Místo toho se „všechny tyto informace přenesou do produktů rozkladu,“ dodává. To znamenalo, že výzkumníci mohli změřit vlastnosti produktů rozpadu, aby pracovali zpětně a odvodili vlastnosti, včetně spinu, mateřských top kvarků.

Po provedení experimentálního měření spinů top kvarků týmy porovnaly své výsledky s teoretickými předpověďmi. Ale modely produkce a rozpadů top kvarku nesouhlasily s měřeními detektoru.

Výzkumníci z ATLAS a CMS bojovali s nejistotami různými způsoby. Například tým CMS zjistil, že přidání „toponia“ – hypotetického stavu, ve kterém jsou top a antitop kvark spojeny dohromady – do jejich analýz pomohlo lépe sladit teorii a experiment.

Nakonec oba experimenty snadno dosáhly −⅓ limitu zapletení s ATLASemDs -0,537 a CMS s -0,480.

Umístění korunky

Úspěch při pozorování provázanosti v top kvarcích by mohl zlepšit pochopení vědců o fyzice top kvarků a připravit cestu pro budoucí vysokoenergetické testy zapletení. Jiné částice, např Higgsův boson, mohl být dokonce použit k provedení Bell testu, ještě přísnější studie zapletení.

Experiment s top kvarkem by mohl změnit způsob myšlení fyziků, říká Afik. „Zpočátku bylo trochu obtížné přesvědčit komunitu“, že studie stojí za to, říká. Koneckonců, zapletení je základním kamenem kvantové mechaniky a bylo znovu a znovu ověřeno.

Ale skutečnost, že zapletení nebylo důkladně prozkoumáno ve vysokoenergetických oblastech, je dostatečným důvodem pro Afika a další následovníky tohoto fenoménu. „Lidé si uvědomili, že nyní můžete pro tyto testy začít používat hadronové urychlovače kolize a další typy urychlovačů,“ říká Howarth.