Mokslininkai pirmą kartą Kvantinis susipynimas pastebėta - būsena, kai dalelės susilieja ir praranda savo individualumą, todėl jų nebegalima apibūdinti atskirai - tarp kvarkų. Šis nuostabus įvykis, pasiektas CERN, Europos dalelių fizikos laboratorijoje netoli Ženevos, Šveicarijoje, galėtų sudaryti sąlygas tolesniems kvantinės informacijos tyrimams didelės energijos dalelėse.

Įsipainiojimas buvo matuojamas tokiose dalelėse kaip elektronai ir fotonai dešimtmečius, tačiau tai yra subtilus reiškinys ir jį lengviausia išmatuoti mažai energijos naudojančioje arba „tylioje“ aplinkoje, pvz., itin šaltuose šaldytuvuose. Kvantiniai kompiuteriai apgyvendinti. Dalelių susidūrimai, pavyzdžiui, tarp protonų Didysis hadronų greitintuvas iš CERN, yra palyginti garsūs ir energingi, todėl daug sunkiau išmatuoti įsipainiojimą nuo šiukšlių – panašiai kaip klausytis šnabždesio roko koncerte.

Norėdami stebėti įsipainiojimą LHC, fizikai, dirbantys su ATLAS detektoriumi, išanalizavo apie milijoną viršutinių ir antitopinių kvarkų porų – sunkiausių iš visų žinomų elementariųjų dalelių ir jų antimedžiagos atitikmenų. Jie rado statistiškai neįtikėtinų įsipainiojimo įrodymų, apie kuriuos paskelbė praėjusį rugsėjį ir šiandien žurnaleGamta 1išsamiai aprašyti. Fizikai, dirbantys su kitu pagrindiniu LHC detektoriumi CMS, taip pat patvirtino įsipainiojimo stebėjimą ataskaitoje, paskelbtoje birželio mėn. išankstinio spausdinimo serveryje arXiv. 2.

„Tai tikrai įdomu, nes pirmą kartą galite tirti įsipainiojimą su didžiausiomis įmanomomis energijomis, o tai pasiekiama naudojant LHC“, – sako Giulia Negro, dalelių fizikė iš Purdue universiteto Vakarų Lafajete, Indianoje, dalyvavusi TVS analizėje.

Mokslininkai neabejojo, kad aukščiausios kvarkų poros gali būti įsipainiojusios. The Standartinis dalelių fizikos modelis - dabartinė geriausia teorija apie elementariąsias daleles ir jėgas, per kurias jos sąveikauja, yra pagrįsta kvantine mechanika, kuri apibūdina įsipainiojimą. Vis dėlto mokslininkai teigia, kad naujausi matavimai turi vertę.

– Tikrai nesitiki, kad pavyks sulaužyti kvantinę mechaniką, tiesa? sako Madrido Teorinės fizikos instituto fizikas teorinis Juanas Aguilar-Saavedra. „Tiekiamas rezultatas neturėtų trukdyti įvertinti svarbių dalykų.

Laikinos viršūnės

Prieš metus kavos pertraukėlės metu Yoavas Afikas, eksperimentuojantis fizikas, šiuo metu dirbantis Čikagos universitete Ilinojaus valstijoje, ir Juanas Muñozas de Nova, kietųjų medžiagų fizikas šiuo metu Madrido Komplutenso universitete, susimąstė, ar įmanoma stebėti susidūrimo akceleratoriaus įsipainiojimą. Jų pokalbis virto popieriumi 3, kuris parodė būdą, kaip išmatuoti įsipainiojimą naudojant viršutinius kvarkus.

Po protonų susidūrimo sukurtų viršutinių ir antitopinių kvarkų poros gyvena neįsivaizduojamai trumpai – vos 10−25sekundžių. Tada jie skyla į ilgesnio gyvenimo daleles.

Ankstesnės studijos 4atskleidė, kad viršutiniai kvarkai per trumpą gyvavimo laiką gali turėti koreliuojančias „sukimosi“ būsenas – kvantinę savybę, kuri yra kampinis impulsas. Afik ir Muñoz de Nova įžvalga buvo tokia, kad šį matavimą galima išplėsti, kad būtų parodyta, jog viršutinių kvarkų sukimosi būsenos yra ne tik koreliuojamos, bet ir iš tikrųjų susipynusios. Jūs apibrėžėte parametrą,Dkoreliacijos lygiui apibūdinti. JeiguDyra mažesnis nei –⅓, viršutiniai kvarkai yra įsipainioję.

Dalis to, kas galiausiai padarė Afik ir Muñoz de Nova pasiūlymą sėkmingu, yra trumpas geriausių kvarkų gyvavimo laikas. „Niekada to nepadarysi su lengvesniais kvarkais“, – sako Jamesas Howarthas, eksperimentinis fizikas iš Glazgo universiteto (JK), kuris kartu su Afik ir Muñoz de Nova dalyvavo ATLAS analizėje. Kvarkai nemėgsta atsiskirti, todėl suskyla vos po 10−24Sekundės pradeda maišytis, kad susidarytų hadronai, tokie kaip protonai ir neutronai. Tačiau viršutinis kvarkas suyra pakankamai greitai, kad jis nespėja tapti „hadronizuotas“ ir maišydamasis prarasti sukimosi informaciją, aiškina Howarthas. Vietoj to „visa ši informacija perkeliama į jos skilimo produktus“, - priduria jis. Tai reiškė, kad mokslininkai galėjo išmatuoti skilimo produktų savybes, kad jie veiktų atgal, ir nustatyti pirminių viršutinių kvarkų savybes, įskaitant sukimąsi.

Atlikusios eksperimentinį viršutinių kvarkų sukimų matavimą, komandos palygino savo rezultatus su teorinėmis prognozėmis. Tačiau aukščiausios kokybės kvarkų gamybos ir skilimo modeliai nesutiko su detektoriaus matavimais.

ATLAS ir CMS tyrėjai įvairiais būdais kovojo su netikrumu. Pavyzdžiui, TVS komanda nustatė, kad „toponio“ – hipotetinės būsenos, kai viršutinis ir antitopinis kvarkas yra tarpusavyje sujungti – pridėjimas prie jų analizės padėjo geriau suderinti teoriją ir eksperimentą.

Galų gale abu eksperimentai lengvai pasiekė –⅓ įsipainiojimo ribą naudojant ATLASDsu -0,537 ir CMS su -0,480.

Karūnos išdėstymas

Sėkmė stebint viršutinių kvarkų įsipainiojimą gali pagerinti tyrėjų supratimą apie geriausių kvarkų fiziką ir sudaryti sąlygas būsimiems didelės energijos įsipainiojimo bandymams. Kitos dalelės, pvz Higso bozonas, netgi galėtų būti naudojamas Bell testui atlikti – dar kruopštesniam įsipainiojimo tyrimui.

Aukščiausias kvarko eksperimentas gali pakeisti fizikų mąstymą, sako Afik. „Iš pradžių buvo šiek tiek sunku įtikinti bendruomenę“, kad tyrimas buvo vertas laiko, sako jis. Galų gale, įsipainiojimas yra kvantinės mechanikos kertinis akmuo ir ne kartą buvo patikrintas.

Tačiau faktas, kad įsipainiojimas nebuvo nuodugniai ištirtas daug energijos naudojančiuose regionuose, yra pakankama priežastis Afik ir kitiems šio reiškinio pasekėjams. „Žmonės suprato, kad dabar šiems bandymams galite pradėti naudoti hadronų susidūrimo greitintuvus ir kitų tipų greitintuvus“, - sako Howarthas.