Forskere har for første gang Kvantesammenfiltring observeret - en tilstand, hvor partikler smelter sammen og mister deres individualitet, så de ikke længere kan beskrives separat - mellem kvarker. Denne bemærkelsesværdige begivenhed, opnået ved CERN, det europæiske partikelfysiklaboratorium nær Genève, Schweiz, kunne bane vejen for yderligere undersøgelser af kvanteinformation i partikler ved høje energier.

Sammenfiltring er blevet målt i partikler som elektroner og fotoner i årtier, men det er et ømtåleligt fænomen og er nemmest at måle i lavenergi- eller "stille" miljøer, såsom de ultrakolde køleskabe, der Kvantecomputere rumme. Partikelkollisioner, såsom dem mellem protoner Stor Hadron Collider fra CERN, er forholdsvis høje og energirige, hvilket gør det meget sværere at måle sammenfiltring fra snavset - svarende til at lytte efter en hvisken ved en rockkoncert.

For at observere sammenfiltring ved LHC analyserede fysikere, der arbejdede på ATLAS-detektoren, omkring en million par top- og antitop-kvarker - den tungeste af alle kendte elementarpartikler og deres antistof-modstykker. De fandt statistisk overvældende beviser på sammenfiltring, som de annoncerede i september sidste år og i Journal i dagNatur 1beskrive i detaljer. Fysikere, der arbejder på LHC's anden hoveddetektor, CMS, bekræftede også observationen af ​​sammenfiltring i en rapport offentliggjort i juni på preprint-serveren arXiv 2.

"Det er virkelig interessant, fordi det er første gang, du kan studere sammenfiltring ved de højest mulige energier, hvilket opnås med LHC," siger Giulia Negro, en partikelfysiker ved Purdue University i West Lafayette, Indiana, som var involveret i CMS-analysen.

Forskere var ikke i tvivl om, at topkvarkpar kunne vikles ind. De Standardmodel for partikelfysik — den nuværende bedste teori om elementarpartikler og de kræfter, hvorigennem de interagerer — er baseret på kvantemekanik, som beskriver sammenfiltring. Alligevel siger forskere, at den seneste måling har værdi.

"Du forventer virkelig ikke at være i stand til at bryde kvantemekanikken, gør du?" siger Juan Aguilar-Saavedra, en teoretisk fysiker ved Instituttet for Teoretisk Fysik i Madrid. "Et forventet resultat bør ikke forhindre dig i at måle vigtige ting."

Forbigående toppe

Under en kaffepause for år siden, spekulerede Yoav Afik, en eksperimentel fysiker nu ved University of Chicago i Illinois, og Juan Muñoz de Nova, en fast stof-fysiker nu ved Complutense University of Madrid, sig over, om det var muligt at observere sammenfiltring ved en kollisionsaccelerator. Deres samtale blev til et papir 3, som demonstrerede en måde at måle sammenfiltring ved hjælp af topkvarker.

Par af top- og antitop-kvarker skabt efter en protonkollision lever ufatteligt korte liv - kun 10−25sekunder. De nedbrydes derefter til partikler med længere levetid.

Tidligere undersøgelser 4havde afsløret, at topkvarker kan have korrelerede "spin" tilstande i løbet af deres korte levetid, en kvanteegenskab, der er vinkelmomentum. Afik og Muñoz de Novas indsigt var, at denne måling kunne udvides til at vise, at topkvarkernes spintilstande ikke bare er korrelerede, men faktisk sammenfiltrede. Du definerede en parameter,Dat beskrive korrelationsniveauet. HvisDer mindre end −⅓, er de øverste kvarker viklet ind.

En del af det, der i sidste ende gjorde Afik og Muñoz de Novas forslag vellykket, er topkvarkernes korte levetid. "Du kunne aldrig gøre dette med lettere kvarker," siger James Howarth, en eksperimentel fysiker ved University of Glasgow, UK, som var en del af ATLAS-analysen sammen med Afik og Muñoz de Nova. Kvarker kan ikke lide at skilles, så de splittes efter kun 10−24Sekunder begynder at blande sig for at danne hadroner såsom protoner og neutroner. Men en topkvark henfalder hurtigt nok til, at den ikke når at blive "hadroniseret" og miste sin spin-information gennem blanding, forklarer Howarth. I stedet "overføres al denne information til dens forfaldsprodukter," tilføjer han. Dette betød, at forskere kunne måle egenskaberne af henfaldsprodukterne for at arbejde baglæns og udlede egenskaberne, herunder spin, af de overordnede topkvarker.

Efter at have foretaget en eksperimentel måling af spins af topkvarkerne sammenlignede holdene deres resultater med teoretiske forudsigelser. Men modellerne for topkvarkproduktion og henfald stemte ikke overens med detektorens målinger.

Forskere ved ATLAS og CMS kæmpede med usikkerheden på forskellige måder. For eksempel fandt CMS-teamet ud af, at tilføjelse af "toponium" - en hypotetisk tilstand, hvor en top- og antitop-kvark er bundet sammen - til deres analyser hjalp bedre med at tilpasse teori og eksperimenter.

I sidste ende nåede begge eksperimenter let −⅓ sammenfiltringsgrænsen med ATLASDmed -0,537 og CMS med -0,480.

Krone placering

Succes med at observere sammenfiltring i topkvarker kan forbedre forskernes forståelse af topkvarkers fysik og bane vejen for fremtidige højenergitest af sammenfiltring. Andre partikler som f.eks Higgs-bosonen, kunne endda bruges til at udføre en Bell-test, en endnu mere stringent undersøgelse af sammenfiltring.

Topkvark-eksperimentet kan ændre den måde, fysikere tænker på, siger Afik. "Det var lidt svært i starten at overbevise samfundet om", at undersøgelsen var tiden værd, siger han. Forviklinger er trods alt en hjørnesten i kvantemekanikken og er blevet bekræftet igen og igen.

Men det faktum, at sammenfiltring ikke er blevet grundigt udforsket i højenergiområder, er grund nok for Afik og de andre tilhængere af fænomenet. "Folk har indset, at du nu kan begynde at bruge hadron-kollisionsacceleratorer og andre typer acceleratorer til disse test," siger Howarth.