Les scientifiques ont pour la première fois Intrication quantique observé – un état dans lequel les particules fusionnent et perdent leur individualité de sorte qu’elles ne peuvent plus être décrites séparément – ​​entre quarks. Cet événement remarquable, réalisé au CERN, le laboratoire européen de physique des particules près de Genève, en Suisse, pourrait ouvrir la voie à de nouvelles études sur l'information quantique dans les particules à haute énergie.

L'intrication est mesurée depuis des décennies dans des particules telles que les électrons et les photons, mais il s'agit d'un phénomène délicat et plus facile à mesurer dans des environnements à faible consommation d'énergie ou « silencieux », tels que les réfrigérateurs ultra-froids qui Ordinateurs quantiques accommoder. Collisions de particules, comme celles entre protons Grand collisionneur de hadrons du CERN, sont relativement bruyants et à haute énergie, ce qui rend beaucoup plus difficile la mesure de l'enchevêtrement des débris – un peu comme l'écoute d'un murmure lors d'un concert de rock.

Pour observer l'intrication au LHC, les physiciens travaillant sur le détecteur ATLAS ont analysé environ un million de paires de quarks top et antitop – les plus lourdes de toutes les particules élémentaires connues et leurs homologues de l'antimatière. Ils ont trouvé des preuves statistiquement accablantes d'enchevêtrement, qu'ils ont annoncées en septembre dernier et dans le Journal aujourd'hui.Nature 1décrire en détail. Les physiciens travaillant sur l'autre détecteur principal du LHC, CMS, ont également confirmé l'observation de l'intrication dans un rapport publié en juin sur le serveur de préimpression arXiv. 2.

"C'est vraiment intéressant car c'est la première fois que l'on peut étudier l'intrication aux énergies les plus élevées possibles, ce qui est possible avec le LHC", explique Giulia Negro, physicienne des particules à l'Université Purdue de West Lafayette, Indiana, qui a participé à l'analyse du CMS.

Les scientifiques n’avaient aucun doute sur la possibilité d’une intrication de paires de quarks top. Le Modèle standard de physique des particules — la meilleure théorie actuelle sur les particules élémentaires et les forces par lesquelles elles interagissent — est basée sur la mécanique quantique, qui décrit l'intrication. Pourtant, les chercheurs affirment que la dernière mesure a de la valeur.

"Vous ne vous attendez vraiment pas à pouvoir briser la mécanique quantique, n'est-ce pas ?" déclare Juan Aguilar-Saavedra, physicien théoricien à l'Institut de physique théorique de Madrid. "Un résultat attendu ne devrait pas vous empêcher de mesurer des choses importantes."

Sommets transitoires

Il y a quelques années, lors d'une pause-café, Yoav Afik, physicien expérimental aujourd'hui à l'Université de Chicago dans l'Illinois, et Juan Muñoz de Nova, physicien de la matière solide aujourd'hui à l'Université Complutense de Madrid, se sont demandé s'il était possible d'observer l'intrication dans un accélérateur de collision. Leur conversation s'est transformée en journal 3, qui a démontré un moyen de mesurer l'intrication à l'aide de quarks top.

Les paires de quarks top et antitop créées après une collision de protons ont une durée de vie incroyablement courte : seulement 10−25secondes. Ils se décomposent ensuite en particules à vie plus longue.

Études antérieures 4avait révélé que les quarks t peuvent avoir des états de « spin » corrélés au cours de leur courte durée de vie, une propriété quantique qui est le moment cinétique. Afik et Muñoz de Nova ont estimé que cette mesure pourrait être étendue pour montrer que les états de spin des quarks top ne sont pas seulement corrélés, mais en réalité intriqués. Vous avez défini un paramètre,Dpour décrire le niveau de corrélation. SiDest inférieur à −⅓, les quarks top sont intriqués.

Ce qui a finalement fait le succès de la proposition d'Afik et Muñoz de Nova est en partie la courte durée de vie des quarks t. "On ne pourrait jamais faire cela avec des quarks plus légers", déclare James Howarth, physicien expérimental à l'Université de Glasgow, au Royaume-Uni, qui a participé à l'analyse ATLAS avec Afik et Muñoz de Nova. Les quarks n'aiment pas se séparer, ils se divisent donc après seulement 10−24Les secondes commencent à se mélanger pour former des hadrons tels que des protons et des neutrons. Mais un quark top se désintègre assez rapidement pour qu'il n'ait pas le temps de s'hadroniser et de perdre ses informations de spin par mélange, explique Howarth. Au lieu de cela, « toutes ces informations sont transférées vers ses produits de désintégration », ajoute-t-il. Cela signifiait que les chercheurs pouvaient mesurer les propriétés des produits de désintégration pour travailler à rebours et en déduire les propriétés, y compris le spin, des quarks top parents.

Après avoir effectué une mesure expérimentale des spins des quarks top, les équipes ont comparé leurs résultats aux prédictions théoriques. Mais les modèles de production et de désintégration du quark top ne concordaient pas avec les mesures du détecteur.

Les chercheurs d’ATLAS et de CMS ont fait face aux incertitudes de différentes manières. Par exemple, l’équipe CMS a découvert que l’ajout du « toponium » – un état hypothétique dans lequel un quark top et un antitop sont liés – à leurs analyses permettait de mieux aligner la théorie et l’expérience.

En fin de compte, les deux expériences ont facilement atteint la limite d'intrication de −⅓, avec ATLASDavec −0,537 et CMS avec −0,480.

Placement de la couronne

Le succès de l'observation de l'intrication dans les quarks t pourrait améliorer la compréhension des chercheurs de la physique des quarks t et ouvrir la voie à de futurs tests d'intrication à haute énergie. D'autres particules, comme le boson de Higgs, pourrait même être utilisé pour réaliser un test de Bell, une étude encore plus rigoureuse de l’intrication.

L'expérience sur les quarks top pourrait changer la façon de penser des physiciens, estime Afik. « Au début, il a été un peu difficile de convaincre la communauté » que l'étude en valait la peine, dit-il. Après tout, l’intrication est la pierre angulaire de la mécanique quantique et a été vérifiée à maintes reprises.

Mais le fait que l’intrication n’ait pas été explorée de manière approfondie dans les régions à haute énergie est une raison suffisante pour Afik et les autres adeptes du phénomène. "Les gens ont réalisé qu'il était désormais possible de commencer à utiliser des accélérateurs de collisions de hadrons et d'autres types d'accélérateurs pour ces tests", explique Howarth.