Teadlased on esimest korda Kvantpõimumine täheldatud — olek, milles osakesed sulanduvad kokku ja kaotavad oma individuaalsuse, nii et neid ei saa enam eraldi kirjeldada — kvarkide vahel. See tähelepanuväärne sündmus, mis saavutati Šveitsis Genfi lähedal asuvas Euroopa osakeste füüsika laboris CERNis, võib sillutada teed suure energiaga osakeste kvantinformatsiooni edasistele uuringutele.

Põimumist on mõõdetud osakestes nagu elektronid ja footonid aastakümneid, kuid see on delikaatne nähtus ja seda on kõige lihtsam mõõta madala energiatarbega või "vaiksetes" keskkondades, näiteks ülikülmades külmikutes. Kvantarvutid majutama. Osakeste kokkupõrked, näiteks prootonite vahelised kokkupõrked Suur hadronite põrgataja CERNist pärit, on suhteliselt valjud ja energiarikkad, mistõttu on prügist takerdumise mõõtmise palju keerulisem – see on sarnane rokkkontserdil sosinate kuulamisega.

LHC-s takerdumise jälgimiseks analüüsisid ATLAS-detektori kallal töötavad füüsikud umbes miljonit paari top- ja antitop-kvarke, mis on kõigist teadaolevatest elementaarosakestest ja nende antiainevastastest raskeimad. Nad leidsid statistiliselt ülekaalukaid tõendeid takerdumise kohta, millest nad teatasid eelmise aasta septembris ja täna ajakirjasLoodus 1kirjeldage üksikasjalikult. LHC teise peamise detektori CMS-i kallal töötavad füüsikud kinnitasid samuti takerdumise vaatlust juunis trükieelses serveris arXiv avaldatud aruandes. 2.

"See on tõesti huvitav, sest see on esimene kord, kui saate uurida põimumist kõrgeima võimaliku energiaga, mis saavutatakse LHC-ga," ütleb CMS-i analüüsis osalenud Giulia Negro, osakeste füüsik Purdue ülikoolist Indiana osariigis West Lafayette'is.

Teadlastel polnud kahtlustki, et kvargi tipppaarid võivad omavahel takerduda. The Osakeste füüsika standardmudel — praegune parim teooria elementaarosakeste ja nende vastasmõju jõudude kohta — põhineb kvantmehaanikul, mis kirjeldab takerdumist. Siiski väidavad teadlased, et viimasel mõõtmisel on väärtus.

"Te tõesti ei oota, et suudate kvantmehaanikat murda, eks?" ütleb Madridi teoreetilise füüsika instituudi teoreetiline füüsik Juan Aguilar-Saavedra. "Oodatav tulemus ei tohiks takistada teil olulisi asju mõõtmast."

Mööduvad topid

Aastate taguse kohvipausi ajal mõtlesid Yoav Afik, praegu Chicago ülikoolis Illinoisis töötav eksperimentaalfüüsik ja praegu Madridi Complutense'i ülikooli tahkete ainete füüsik Juan Muñoz de Nova, kas on võimalik jälgida põrkekiirendi takerdumist. Nende vestlus muutus paberiks 3, mis näitas viisi, kuidas mõõta takerdumist tippkvarkide abil.

Prootonite kokkupõrkest tekkinud top- ja antitop-kvarkide paarid elavad kujuteldamatult lühikest eluiga – kõigest 10−25sekundit. Seejärel lagunevad need pikema elueaga osakesteks.

Varasemad uuringud 4oli avastanud, et tippkvarkidel võivad oma lühikese eluea jooksul olla korrelatsioonis "pöörlemisolekud", mis on kvantomadus, milleks on nurkimpulss. Afik ja Muñoz de Nova mõistsid, et seda mõõtmist saab laiendada, et näidata, et tippkvarkide pöörlemisolekud ei ole mitte ainult korrelatsioonis, vaid ka tegelikult põimunud. Määrasite parameetri,Dkorrelatsiooni taseme kirjeldamiseks. KuiDon väiksem kui −⅓, on ülemised kvargid takerdunud.

Üks osa sellest, mis Afiki ja Muñoz de Nova ettepaneku lõpuks edukaks tegi, on tippkvarkide lühike eluiga. "Seda ei saaks kunagi teha kergemate kvarkidega," ütleb Suurbritannia Glasgow ülikooli eksperimentaalfüüsik James Howarth, kes osales koos Afiki ja Muñoz de Novaga ATLASe analüüsis. Kvarkidele ei meeldi eralduda, seetõttu jagunevad nad juba 10 pärast−24Sekundid hakkavad segunema, moodustades hadroneid, nagu prootonid ja neutronid. Kuid tippkvark laguneb piisavalt kiiresti, et tal pole aega "hadroniseerida" ja segamise tõttu oma pöörlemisinfot kaotada, selgitab Howarth. Selle asemel kantakse kogu see teave üle selle lagunemissaadustesse, lisab ta. See tähendas, et teadlased võisid mõõta lagunemissaaduste omadusi, et töötada tagurpidi ja tuletada lähtekvarkide omadused, sealhulgas spin.

Pärast tippkvarkide spinnide eksperimentaalset mõõtmist võrdlesid meeskonnad oma tulemusi teoreetiliste ennustustega. Kuid tippkvarkide tootmise ja lagunemise mudelid ei nõustunud detektori mõõtmistega.

ATLASe ja CMS-i teadlased võitlesid ebakindlusega erineval viisil. Näiteks leidis CMS-i meeskond, et "topooniumi" - hüpoteetilise oleku, milles top ja antitop kvark on omavahel seotud - lisamine nende analüüsidele aitas teooriat ja eksperimenti paremini ühtlustada.

Lõpuks jõudsid mõlemad katsed ATLAS-iga hõlpsalt -⅓ takerdumise piiriniD-0,537-ga ja CMS-iga -0,480.

Krooni paigutus

Edu tippkvarkide takerdumise jälgimisel võib parandada teadlaste arusaamist tippkvarkide füüsikast ja sillutada teed tulevastele suure energiaga takerdumise katsetele. Muud osakesed, nagu Higgsi boson, võib isegi kasutada Belli testi tegemiseks, mis on veelgi rangem takerdumise uuring.

Tippkvarkide eksperiment võib muuta füüsikute mõtteviisi, ütleb Afik. "Alguses oli veidi raske kogukonda veenda", et uuring oli aega väärt, ütleb ta. Lõppude lõpuks on takerdumine kvantmehaanika nurgakivi ja seda on ikka ja jälle kontrollitud.

Kuid tõsiasi, et põimumist pole kõrge energiaga piirkondades põhjalikult uuritud, on Afikule ja teistele nähtuse järgijatele piisav põhjus. "Inimesed on mõistnud, et nüüd saate nende katsete jaoks hakata kasutama hadronite kokkupõrkekiirendeid ja muud tüüpi kiirendeid, " ütleb Howarth.