A tudósok először Kvantumösszefonódás megfigyelt - egy olyan állapot, amelyben a részecskék összeolvadnak és elvesztik egyéniségüket, így többé nem lehet őket külön leírni - a kvarkok között. Ez a figyelemre méltó esemény, amelyet a CERN-ben, a svájci Genf közelében található európai részecskefizikai laboratóriumban értek el, megnyithatja az utat a nagy energiájú részecskék kvantuminformációinak további tanulmányozása előtt.

Az összegabalyodást részecskékben, például elektronokban és fotonokban évtizedek óta mérik, de ez egy kényes jelenség, és a legkönnyebb mérni alacsony energiafelhasználású vagy "csendes" környezetben, mint például az ultrahideg hűtőszekrényekben, amelyek Kvantumszámítógépek befogadni. Részecskeütközések, például a protonok közötti ütközések Nagy hadronütköztető A CERN-ből származó hangok viszonylag hangosak és nagy energiájúak, ami sokkal nehezebbé teszi a törmelékből való összegabalyodás mérését – olyan, mintha suttogást hallgatnánk egy rockkoncerten.

Az LHC összefonódásának megfigyelésére az ATLAS detektoron dolgozó fizikusok körülbelül egymillió pár felső és antitop kvarkot elemeztek – a legnehezebbet az összes ismert elemi részecskék és antianyag megfelelőik közül. Statisztikailag elsöprő bizonyítékot találtak az összefonódásra, amit tavaly szeptemberben és ma a Journalban jelentettek beTermészet 1részletesen leírni. Az LHC másik fő detektorán, a CMS-en dolgozó fizikusok szintén megerősítették az összefonódás megfigyelését az arXiv nyomtatás előtti szerveren júniusban közzétett jelentésben. 2.

"Nagyon érdekes, mert ez az első alkalom, hogy a lehető legmagasabb energiákon tanulmányozhatja az összefonódást, ami az LHC-vel érhető el" - mondja Giulia Negro, az Indiana állambeli West Lafayette állambeli Purdue Egyetem részecskefizikusa, aki részt vett a CMS elemzésében.

A tudósoknak nem voltak kétségei afelől, hogy a legjobb kvarkpárok összegabalyodhatnak. A A részecskefizika standard modellje – a jelenlegi legjobb elmélet az elemi részecskékről és az erőkről, amelyeken keresztül kölcsönhatásba lépnek – az összefonódást leíró kvantummechanikán alapul. Ennek ellenére a kutatók szerint a legújabb mérésnek van értéke.

– Tényleg nem számít rá, hogy képes lesz megtörni a kvantummechanikát, igaz? – mondja Juan Aguilar-Saavedra, a madridi Elméleti Fizikai Intézet elméleti fizikusa. "A várt eredmény nem akadályozhatja meg abban, hogy fontos dolgokat mérjen."

Átmeneti felsők

Egy évekkel ezelőtti kávészünetben Yoav Afik, az Illinois-i Chicagói Egyetem kísérleti fizikusa és Juan Muñoz de Nova, a madridi Complutense Egyetem szilárdanyag-fizikusa azon töprengett, vajon lehetséges-e megfigyelni az összegabalyodást egy ütközési gyorsítónál. Beszélgetésükből papír lett 3, amely bemutatta az összefonódás mérésének módját felső kvarkok segítségével.

A protonütközést követően létrejött top és antitop kvark párok elképzelhetetlenül rövid életet élnek – mindössze 10−25másodpercig. Ezután hosszabb élettartamú részecskékre bomlanak.

Korábbi tanulmányok 4Felfedte, hogy a csúcskvarkok rövid élettartamuk alatt korrelálhatnak „pörgés” állapotokkal, ez a kvantumtulajdonság a szögimpulzus. Afik és Muñoz de Nova meglátása szerint ezt a mérést ki lehetne terjeszteni annak kimutatására, hogy a csúcskvarkok spinállapotai nem csak korrelálnak, hanem valójában össze is fonódnak. Meghatároztál egy paramétert,Da korreláció szintjének leírására. HaDkisebb, mint -⅓, a felső kvarkok összegabalyodtak.

Ami végül sikeressé tette Afik és Muñoz de Nova javaslatát, az a csúcskvarkok rövid élettartama. „Ezt soha nem lehetne könnyebb kvarkokkal megtenni” – mondja James Howarth, a Glasgow-i Egyetem kísérleti fizikusa, aki Afik és Muñoz de Nova mellett részt vett az ATLAS elemzésében. A kvarkok nem szeretnek szétválni, ezért már 10 után szétválnak−24A másodpercek keveredni kezdenek, és hadronokat, például protonokat és neutronokat képeznek. De egy csúcskvark elég gyorsan lebomlik ahhoz, hogy ne legyen ideje „hadronizálódni”, és a keveredés következtében elveszítse spininformációit – magyarázza Howarth. Ehelyett „ez az információ átkerül a bomlástermékeibe” – teszi hozzá. Ez azt jelentette, hogy a kutatók mérni tudták a bomlástermékek tulajdonságait, hogy visszafelé működjenek, és levezethessék a kiindulási felső kvarkok tulajdonságait, beleértve a spint is.

A felső kvarkok forgásainak kísérleti mérése után a csapatok összehasonlították eredményeiket elméleti előrejelzésekkel. De a csúcskvarktermelés és -bomlás modelljei nem egyeztek a detektor méréseivel.

Az ATLAS és a CMS kutatói különböző módon küzdöttek a bizonytalanságokkal. A CMS-csapat például úgy találta, hogy a „topónium” – egy hipotetikus állapot, amelyben a csúcs és az antitop kvark egymáshoz kapcsolódnak – hozzáadása az elemzésekhez hozzájárult az elmélet és a kísérlet jobb összehangolásához.

Végül mindkét kísérlet könnyen elérte a -⅓ összefonódási határt az ATLAS segítségévelD–0,537-tel, a CMS pedig –0,480-zal.

Korona elhelyezése

A csúcskvarkok összefonódásának megfigyelésének sikere javíthatja a kutatók megértését a csúcskvarkok fizikájáról, és megnyithatja az utat a jövőbeni, nagy energiájú összefonódási tesztek előtt. Más részecskék, mint pl a Higgs-bozon, akár egy Bell-teszt elvégzésére is felhasználható, ami az összefonódás még szigorúbb vizsgálata.

A felső kvarkkísérlet megváltoztathatja a fizikusok gondolkodását, mondja Afik. „Először kicsit nehéz volt meggyőzni a közösséget”, hogy a tanulmány megérte az időt – mondja. Végtére is, az összefonódás a kvantummechanika sarokköve, és újra és újra bebizonyosodott.

De az a tény, hogy a nagy energiájú régiókban az összefonódást nem tárták fel alaposan, elég ok Afik és a jelenség többi követője számára. "Az emberek rájöttek, hogy most már használhatja a hadron ütközési gyorsítókat és más típusú gyorsítókat ezekhez a tesztekhez" - mondja Howarth.