Tiedemiehet ovat ensimmäistä kertaa Kvanttikietoutuminen havaittu — tila, jossa hiukkaset sulautuvat yhteen ja menettävät yksilöllisyytensä niin, ettei niitä voi enää kuvata erikseen — kvarkkien välillä. Tämä merkittävä tapahtuma, joka saavutettiin CERNissä, eurooppalaisessa hiukkasfysiikan laboratoriossa lähellä Geneveä, Sveitsiä, voisi tasoittaa tietä jatkotutkimuksille kvanttitiedon hiukkasissa suurilla energioilla.

Kietoutumista on mitattu hiukkasissa, kuten elektroneissa ja fotoneissa vuosikymmeniä, mutta se on herkkä ilmiö, ja se on helpoin mitata matalaenergiaisissa tai "hiljaisissa" ympäristöissä, kuten erittäin kylmissä jääkaapeissa. Kvanttitietokoneet majoittaa. Hiukkasten törmäykset, kuten protonien väliset törmäykset Suuri hadronitörmätin CERNistä, ovat verrattain äänekkäitä ja energisiä, mikä tekee siitä paljon vaikeampaa mitata sotkeutumista roskoihin – samanlaista kuin kuiskauksen kuunteleminen rock-konsertissa.

ATLAS-ilmaisimen parissa työskentelevät fyysikot analysoivat noin miljoona paria huippu- ja antitop-kvarkkeja – raskaimmat tunnetuista alkuainehiukkasista ja niiden antimateriaaleja. He löysivät tilastollisesti ylivoimaisia ​​todisteita sotkeutumisesta, joista he ilmoittivat viime syyskuussa ja lehdessä tänäänLuonto 1kuvaile yksityiskohtaisesti. LHC:n toisen pääilmaisimen, CMS:n, parissa työskentelevät fyysikot vahvistivat myös sotkeutumishavainnon kesäkuussa preprint-palvelimella arXiv julkaistussa raportissa. 2.

"Se on todella mielenkiintoista, koska se on ensimmäinen kerta, kun voit tutkia sotkeutumista korkeimmilla mahdollisilla energioilla, mikä saavutetaan LHC:llä", sanoo Giulia Negro, hiukkasfyysikko Purduen yliopistosta West Lafayettessa, Indianassa, joka osallistui CMS-analyysiin.

Tutkijoilla ei ollut epäilystäkään siitä, että huippukvarkkiparit voisivat sotkeutua. The Hiukkasfysiikan standardimalli — Nykyinen paras teoria alkuainehiukkasista ja niiden vuorovaikutuksessa olevista voimista — perustuu kvanttimekaniikkaan, joka kuvaa kietoutumista. Silti tutkijoiden mukaan uusimmalla mittauksella on arvoa.

"Etkö todellakaan odota pystyväsi rikkomaan kvanttimekaniikkaa?" sanoo Juan Aguilar-Saavedra, teoreettinen fyysikko Madridin teoreettisen fysiikan instituutista. "Odotetun tuloksen ei pitäisi estää sinua mittaamasta tärkeitä asioita."

Ohimenevät topit

Vuosia sitten Chicagon yliopistossa työskentelevä kokeellinen fyysikko Yoav Afik ja Madridin Complutense-yliopiston kiinteän aineen fyysikko Juan Muñoz de Nova ihmettelivät vuosia sitten kahvitauolla, olisiko mahdollista havaita takertumista törmäyskiihdytin. Heidän keskustelunsa muuttui paperiksi 3, joka osoitti tavan mitata kietoutumista huippukvarkeilla.

Protonien törmäyksen jälkeen syntyneet top- ja antitop-kvarkkiparit elävät käsittämättömän lyhyesti – vain 10−25sekuntia. Sitten ne hajoavat pitkäikäisiksi hiukkasiksi.

Aiemmat opinnot 4oli paljastanut, että huippukvarkeilla voi olla lyhyen elinkaarensa aikana korreloivia "spin"-tiloja, mikä on kvanttiominaisuus, joka on kulmamomentti. Afik ja Muñoz de Novan näkemys oli, että tätä mittausta voitaisiin laajentaa osoittamaan, että huippukvarkkien spin-tilat eivät vain korreloi, vaan ovat todella kietoutuneita. Olet määrittänyt parametrin,Dkuvaamaan korrelaation tasoa. JosDon pienempi kuin −⅓, huippukvarkit ovat sotkeutuneet.

Osa siitä, mikä lopulta teki Afikin ja Muñoz de Novan ehdotuksesta onnistuneen, on huippukvarkkien lyhyt käyttöikä. "Et voisi koskaan tehdä tätä kevyemmillä kvarkeilla", sanoo James Howarth, kokeellinen fyysikko Glasgow'n yliopistosta Iso-Britanniasta, joka oli osa ATLAS-analyysiä yhdessä Afikin ja Muñoz de Novan kanssa. Kvarkit eivät halua erota, joten ne jakautuvat jo 10 jälkeen−24Sekunnit alkavat sekoittua muodostaen hadroneja, kuten protoneja ja neutroneja. Mutta huippukvarkki hajoaa tarpeeksi nopeasti, jotta se ei ehdi "hadronisoitua" ja menettää pyörimistietoaan sekoittamisen seurauksena, Howarth selittää. Sen sijaan "kaikki tämä tieto siirtyy sen hajoamistuotteisiin", hän lisää. Tämä tarkoitti sitä, että tutkijat pystyivät mittaamaan hajoamistuotteiden ominaisuuksia toimiakseen taaksepäin ja johtamaan alkuperäisten huippukvarkkien ominaisuudet, mukaan lukien spin.

Tehtyään kokeellisen mittauksen huippukvarkkien spineistä, tiimit vertasivat tuloksiaan teoreettisiin ennusteisiin. Mutta huippukvarkkituotannon ja hajoamisen mallit eivät vastanneet ilmaisimen mittauksia.

ATLAS:n ja CMS:n tutkijat kamppailivat epävarmuuksien kanssa eri tavoin. Esimerkiksi CMS-tiimi havaitsi, että "toponiumin" - hypoteettisen tilan, jossa top- ja antitop-kvarkki ovat sitoutuneet - lisääminen analyyseihin auttoi paremmin kohdistamaan teorian ja kokeen.

Lopulta molemmat kokeet saavuttivat helposti -⅓ takertumisrajan ATLAS:llaD-0,537 ja CMS -0,480.

Kruunun sijoitus

Huippukvarkkien takertumisen havainnointi onnistuisi parantamaan tutkijoiden ymmärrystä huippukvarkkien fysiikasta ja tasoittamaan tietä tuleville suurienergisille takertumistesteille. Muut hiukkaset, kuten Higgsin bosoni, voitaisiin jopa käyttää Bell-testin suorittamiseen, vieläkin tarkempaan sotkeutumistutkimukseen.

Huippukvarkkikoe voi muuttaa fyysikkojen ajattelutapaa, Afik sanoo. "Aluksi oli hieman vaikeaa vakuuttaa yhteisöä", että tutkimus kannatti aikaa, hän sanoo. Loppujen lopuksi sotkeutuminen on kvanttimekaniikan kulmakivi, ja se on todennettu kerta toisensa jälkeen.

Mutta se, että sotkeutumista ei ole tutkittu perusteellisesti korkean energian alueilla, on riittävä syy Afikille ja muille ilmiön seuraajille. "Ihmiset ovat ymmärtäneet, että voit nyt alkaa käyttää hadronin törmäyskiihdyttimiä ja muita kiihdyttimiä näihin testeihin", Howarth sanoo.