Οι επιστήμονες έχουν για πρώτη φορά Κβαντική εμπλοκή παρατηρήθηκε — μια κατάσταση στην οποία τα σωματίδια συγχωνεύονται και χάνουν την ατομικότητά τους, έτσι ώστε να μην μπορούν πλέον να περιγραφούν χωριστά — μεταξύ κουάρκ. Αυτό το αξιοσημείωτο γεγονός, που επιτεύχθηκε στο CERN, το ευρωπαϊκό εργαστήριο σωματιδιακής φυσικής κοντά στη Γενεύη, στην Ελβετία, θα μπορούσε να ανοίξει το δρόμο για περαιτέρω μελέτες κβαντικών πληροφοριών σε σωματίδια σε υψηλές ενέργειες.

Η εμπλοκή έχει μετρηθεί σε σωματίδια όπως τα ηλεκτρόνια και τα φωτόνια εδώ και δεκαετίες, αλλά είναι ένα ευαίσθητο φαινόμενο και είναι πιο εύκολο να μετρηθεί σε περιβάλλοντα χαμηλής ενέργειας ή «ήσυχα», όπως τα εξαιρετικά κρύα ψυγεία που Κβαντικοί υπολογιστές διευκολύνω. Οι συγκρούσεις σωματιδίων, όπως αυτές μεταξύ πρωτονίων Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων από το CERN, είναι σχετικά δυνατά και υψηλής ενέργειας, γεγονός που καθιστά πολύ πιο δύσκολο τη μέτρηση της εμπλοκής από τα συντρίμμια - παρόμοιο με το να ακούς έναν ψίθυρο σε μια ροκ συναυλία.

Για να παρατηρήσουν την εμπλοκή στον LHC, οι φυσικοί που εργάζονταν στον ανιχνευτή ATLAS ανέλυσαν περίπου ένα εκατομμύριο ζεύγη κουάρκ κορυφής και αντικορυφής — το βαρύτερο από όλα τα γνωστά στοιχειώδη σωματίδια και τα αντίστοιχα της αντιύλης. Βρήκαν στατιστικά συντριπτικά στοιχεία εμπλοκής, τα οποία ανακοίνωσαν τον περασμένο Σεπτέμβριο και σήμερα στην ΕφημερίδαΦύση 1περιγράψτε λεπτομερώς. Οι φυσικοί που εργάζονται στον άλλο κύριο ανιχνευτή του LHC, το CMS, επιβεβαίωσαν επίσης την παρατήρηση εμπλοκής σε μια αναφορά που δημοσιεύτηκε τον Ιούνιο στον διακομιστή προεκτύπωσης arXiv 2.

«Είναι πραγματικά ενδιαφέρον γιατί είναι η πρώτη φορά που μπορείς να μελετήσεις τη διαπλοκή στις υψηλότερες δυνατές ενέργειες, κάτι που επιτυγχάνεται με τον LHC», λέει η Giulia Negro, σωματιδιακός φυσικός στο Πανεπιστήμιο Purdue στο West Lafayette της Ιντιάνα, που συμμετείχε στην ανάλυση CMS.

Οι επιστήμονες δεν είχαν καμία αμφιβολία ότι τα ζεύγη κορυφαίων κουάρκ θα μπορούσαν να μπερδευτούν. Ο Τυποποιημένο μοντέλο σωματιδιακής φυσικής — η τρέχουσα καλύτερη θεωρία για τα στοιχειώδη σωματίδια και τις δυνάμεις μέσω των οποίων αλληλεπιδρούν — βασίζεται στην κβαντομηχανική, η οποία περιγράφει τη διαπλοκή. Ωστόσο, οι ερευνητές λένε ότι η τελευταία μέτρηση έχει αξία.

«Πραγματικά δεν περιμένεις να καταφέρεις να σπάσεις την κβαντομηχανική, σωστά;» λέει ο Juan Aguilar-Saavedra, ένας θεωρητικός φυσικός στο Ινστιτούτο Θεωρητικής Φυσικής στη Μαδρίτη. «Ένα αναμενόμενο αποτέλεσμα δεν πρέπει να σας εμποδίσει να μετρήσετε σημαντικά πράγματα».

Μεταβατικά τοπ

Σε ένα διάλειμμα για καφέ πριν από χρόνια, ο Yoav Afik, ένας πειραματικός φυσικός τώρα στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο στο Ιλινόις, και ο Juan Muñoz de Nova, ένας φυσικός στερεάς ύλης τώρα στο Πανεπιστήμιο Complutense της Μαδρίτης, αναρωτήθηκαν αν ήταν δυνατό να παρατηρηθεί εμπλοκή σε έναν επιταχυντή σύγκρουσης. Η συνομιλία τους έγινε χαρτί 3, το οποίο παρουσίασε έναν τρόπο μέτρησης της εμπλοκής χρησιμοποιώντας κορυφαία κουάρκ.

Ζεύγη κουάρκ κορυφής και αντικορυφής που δημιουργήθηκαν μετά από σύγκρουση πρωτονίων ζουν αφάνταστα σύντομες ζωές — μόλις 10−25δευτερόλεπτα. Στη συνέχεια διασπώνται σε σωματίδια μεγαλύτερης διάρκειας ζωής.

Προηγούμενες μελέτες 4είχε αποκαλύψει ότι τα κορυφαία κουάρκ μπορεί να έχουν συσχετίσει καταστάσεις «σπιν» κατά τη διάρκεια της σύντομης ζωής τους, μια κβαντική ιδιότητα που είναι η γωνιακή ορμή. Η επίγνωση των Afik και Muñoz de Nova ήταν ότι αυτή η μέτρηση θα μπορούσε να επεκταθεί για να δείξει ότι οι καταστάσεις σπιν των κορυφαίων κουάρκ δεν είναι απλώς συσχετισμένες, αλλά στην πραγματικότητα μπλεγμένες. Ορίσατε μια παράμετρο,ρενα περιγράψει το επίπεδο συσχέτισης. Ανρεείναι μικρότερο από −⅓, τα κορυφαία κουάρκ είναι μπλεγμένα.

Μέρος αυτού που τελικά έκανε επιτυχημένη την πρόταση του Afik και του Muñoz de Nova είναι η σύντομη διάρκεια ζωής των κορυφαίων κουάρκ. «Δεν θα μπορούσατε ποτέ να το κάνετε αυτό με ελαφρύτερα κουάρκ», λέει ο James Howarth, ένας πειραματικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Γλασκώβης, στο Ηνωμένο Βασίλειο, ο οποίος ήταν μέρος της ανάλυσης ATLAS μαζί με τους Afik και Muñoz de Nova. Στα κουάρκ δεν αρέσει να χωρίζουν, έτσι χωρίζουν μετά από μόλις 10−24Τα δευτερόλεπτα αρχίζουν να αναμιγνύονται για να σχηματίσουν αδρόνια όπως πρωτόνια και νετρόνια. Αλλά ένα κορυφαίο κουάρκ διασπάται αρκετά γρήγορα που δεν έχει χρόνο να «αδρονιωθεί» και να χάσει τις πληροφορίες περιστροφής του μέσω της ανάμειξης, εξηγεί ο Howarth. Αντίθετα, «όλες αυτές οι πληροφορίες μεταφέρονται στα προϊόντα αποσύνθεσής του», προσθέτει. Αυτό σήμαινε ότι οι ερευνητές θα μπορούσαν να μετρήσουν τις ιδιότητες των προϊόντων διάσπασης ώστε να λειτουργούν ανάποδα και να αντλήσουν τις ιδιότητες, συμπεριλαμβανομένου του σπιν, των μητρικών κορυφαίων κουάρκ.

Αφού έκαναν μια πειραματική μέτρηση των περιστροφών των κορυφαίων κουάρκ, οι ομάδες συνέκριναν τα αποτελέσματά τους με θεωρητικές προβλέψεις. Όμως τα μοντέλα παραγωγής κορυφαίων κουάρκ και αποσύνθεσης δεν συμφωνούσαν με τις μετρήσεις του ανιχνευτή.

Οι ερευνητές στο ATLAS και το CMS αγωνίστηκαν με τις αβεβαιότητες με διαφορετικούς τρόπους. Για παράδειγμα, η ομάδα του CMS διαπίστωσε ότι η προσθήκη «τοπωνίου» - μια υποθετική κατάσταση στην οποία ένα κουάρκ κορυφής και αντί-κορυφής συνδέονται μεταξύ τους - στις αναλύσεις τους βοήθησε στην καλύτερη ευθυγράμμιση της θεωρίας και του πειράματος.

Στο τέλος, και τα δύο πειράματα έφτασαν εύκολα το όριο εμπλοκής −⅓, με το ATLASρεμε −0,537 και CMS με −0,480.

Τοποθέτηση κορώνας

Η επιτυχία στην παρατήρηση της εμπλοκής σε κορυφαία κουάρκ θα μπορούσε να βελτιώσει την κατανόηση των ερευνητών για τη φυσική των κορυφαίων κουάρκ και να ανοίξει το δρόμο για μελλοντικές δοκιμές εμπλοκής υψηλής ενέργειας. Άλλα σωματίδια, όπως το μποζόνιο Χιγκς, θα μπορούσε ακόμη και να χρησιμοποιηθεί για την εκτέλεση ενός τεστ Bell, μιας ακόμη πιο αυστηρής μελέτης της εμπλοκής.

Το πείραμα των κορυφαίων κουάρκ θα μπορούσε να αλλάξει τον τρόπο που σκέφτονται οι φυσικοί, λέει ο Afik. «Ήταν λίγο δύσκολο στην αρχή να πείσεις την κοινότητα» ότι η μελέτη άξιζε τον χρόνο, λέει. Άλλωστε, η εμπλοκή είναι ο ακρογωνιαίος λίθος της κβαντικής μηχανικής και έχει επαληθευτεί ξανά και ξανά.

Αλλά το γεγονός ότι η διαπλοκή δεν έχει διερευνηθεί διεξοδικά σε περιοχές υψηλής ενέργειας είναι αρκετός λόγος για τον Afik και τους άλλους οπαδούς του φαινομένου. «Οι άνθρωποι έχουν συνειδητοποιήσει ότι μπορείτε τώρα να αρχίσετε να χρησιμοποιείτε επιταχυντές σύγκρουσης αδρονίων και άλλους τύπους επιταχυντών για αυτές τις δοκιμές», λέει ο Howarth.