Znanstvenici su po prvi put Kvantna isprepletenost promatrano — stanje u kojem se čestice spajaju i gube svoju individualnost tako da se više ne mogu zasebno opisati — između kvarkova. Ovaj izvanredan događaj, postignut u CERN-u, europskom laboratoriju za fiziku čestica u blizini Ženeve u Švicarskoj, mogao bi otvoriti put za daljnja istraživanja kvantnih informacija u česticama pri visokim energijama.

Isprepletenost se desetljećima mjeri u česticama kao što su elektroni i fotoni, ali to je delikatan fenomen i najlakše ga je mjeriti u niskoenergetskim ili "tihim" okruženjima, kao što su ultrahladni hladnjaci koji Kvantna računala smjestiti. Sudari čestica, poput sudara između protona Veliki hadronski sudarač iz CERN-a, relativno su glasni i visokoenergetski, što otežava mjerenje isprepletenosti od krhotina - slično slušanju šapta na rock koncertu.

Kako bi promatrali isprepletenost na LHC-u, fizičari koji rade na detektoru ATLAS analizirali su oko milijun parova top i antitop kvarkova — najteže od svih poznatih elementarnih čestica i njihovih pandana antimaterije. Pronašli su statistički nadmoćne dokaze o isprepletenosti, što su objavili prošlog rujna i danas u JournaluPriroda 1detaljno opisati. Fizičari koji rade na LHC-ovom drugom glavnom detektoru, CMS-u, također su potvrdili opažanje isprepletenosti u izvješću objavljenom u lipnju na poslužitelju za preprint arXiv 2.

"Zaista je zanimljivo jer je to prvi put da možete proučavati isprepletenost na najvišim mogućim energijama, što se postiže s LHC-om", kaže Giulia Negro, fizičarka čestica na Sveučilištu Purdue u West Lafayetteu, Indiana, koja je bila uključena u CMS analizu.

Znanstvenici nisu sumnjali da bi parovi top kvarkova mogli biti isprepleteni. The Standardni model fizike čestica — trenutno najbolja teorija o elementarnim česticama i silama kroz koje one međusobno djeluju — temelji se na kvantnoj mehanici, koja opisuje isprepletenost. Ipak, istraživači kažu da najnovije mjerenje ima vrijednost.

"Stvarno ne očekujete da ćete moći razbiti kvantnu mehaniku, zar ne?" kaže Juan Aguilar-Saavedra, teorijski fizičar na Institutu za teorijsku fiziku u Madridu. "Očekivani rezultat ne bi vas trebao spriječiti u mjerenju važnih stvari."

Prolazni vrhovi

Tijekom pauze za kavu prije nekoliko godina, Yoav Afik, eksperimentalni fizičar sada na Sveučilištu Chicago u Illinoisu, i Juan Muñoz de Nova, fizičar čvrste materije sada na Sveučilištu Complutense u Madridu, pitali su se je li moguće promatrati isprepletenost na akceleratoru sudara. Njihov se razgovor pretvorio u papir 3, koji je pokazao način mjerenja isprepletenosti pomoću top kvarkova.

Parovi top i antitop kvarkova stvoreni nakon sudara protona žive nezamislivo kratko - samo 10−25sekundi. Zatim se razgrađuju na dugovječnije čestice.

Prethodne studije 4je otkrio da top kvarkovi mogu imati korelirana "spin" stanja tijekom svog kratkog životnog vijeka, kvantno svojstvo koje je kutni moment. Uvid Afika i Muñoza de Nove bio je da se ovo mjerenje može proširiti kako bi se pokazalo da spinska stanja top kvarkova nisu samo korelirana, nego zapravo isprepletena. Definirali ste parametar,Dopisati razinu korelacije. AkoDje manji od −⅓, top kvarkovi su zapleteni.

Dio onoga što je u konačnici učinilo prijedlog Afika i Muñoza de Nove uspješnim je kratak životni vijek top kvarkova. "Ovo nikada ne biste mogli učiniti s lakšim kvarkovima", kaže James Howarth, eksperimentalni fizičar sa Sveučilišta u Glasgowu, UK, koji je bio dio analize ATLAS-a zajedno s Afikom i Muñozom de Novom. Kvarkovi se ne vole razdvajati, pa se dijele nakon samo 10−24Sekunde se počinju miješati stvarajući hadrone kao što su protoni i neutroni. Ali top kvark se raspada dovoljno brzo da nema vremena postati "hadroniziran" i izgubiti informacije o spinu kroz miješanje, objašnjava Howarth. Umjesto toga, "sve te informacije prenose se na njegove proizvode raspadanja", dodaje. To je značilo da su istraživači mogli mjeriti svojstva produkata raspada kako bi radili unatrag i izveli svojstva, uključujući spin, roditeljskih top kvarkova.

Nakon eksperimentalnog mjerenja spinova top kvarkova, timovi su svoje rezultate usporedili s teorijskim predviđanjima. Ali modeli proizvodnje top kvarkova i raspada nisu se slagali s mjerenjima detektora.

Istraživači na ATLAS-u i CMS-u borili su se s nesigurnostima na različite načine. Na primjer, CMS tim je otkrio da je dodavanje "toponija" - hipotetskog stanja u kojem su top i antitop kvark povezani zajedno - u njihove analize pomoglo boljem usklađivanju teorije i eksperimenta.

Na kraju su oba eksperimenta lako dosegla granicu -⅓ zapetljanja, s ATLAS-omDs -0,537 i CMS s -0,480.

Postavljanje krunice

Uspjeh u promatranju isprepletenosti u top kvarkovima mogao bi poboljšati razumijevanje istraživača o fizici top kvarkova i otvoriti put za buduće visokoenergetske testove isprepletenosti. Druge čestice, kao Higgsov bozon, mogao bi se čak koristiti za izvođenje Bellovog testa, još strože studije isprepletenosti.

Eksperiment s top kvarkom mogao bi promijeniti način na koji fizičari razmišljaju, kaže Afik. “U početku je bilo malo teško uvjeriti zajednicu” da je studija vrijedna vremena, kaže on. Na kraju krajeva, isprepletenost je kamen temeljac kvantne mehanike i više puta je potvrđena.

Ali činjenica da isprepletenost nije temeljito istražena u područjima visoke energije dovoljan je razlog za Afika i druge sljedbenike fenomena. "Ljudi su shvatili da sada možete početi koristiti akceleratore sudara hadrona i druge vrste akceleratora za ove testove", kaže Howarth.