Zinātnieki pirmo reizi Kvantu sapīšanās novērots — stāvoklis, kurā daļiņas saplūst kopā un zaudē savu individualitāti tā, ka tās vairs nevar aprakstīt atsevišķi — starp kvarkiem. Šis ievērojamais notikums, kas panākts CERN, Eiropas daļiņu fizikas laboratorijā netālu no Ženēvas, Šveicē, varētu pavērt ceļu turpmākiem pētījumiem par kvantu informāciju daļiņās ar lielu enerģiju.

Sapīšanos mēra daļiņās, piemēram, elektronos un fotonos gadu desmitiem, taču tā ir delikāta parādība, un to ir visvieglāk izmērīt zema enerģijas patēriņa vai "klusā" vidē, piemēram, īpaši aukstos ledusskapjos. Kvantu datori izmitināt. Daļiņu sadursmes, piemēram, starp protoniem Lielais hadronu paātrinātājs no CERN, ir salīdzinoši skaļi un ar lielu enerģiju, tāpēc ir daudz grūtāk izmērīt sapīšanās no gruvešiem — līdzīgi kā klausīšanās čukstam rokkoncertā.

Lai novērotu sapīšanos LHC, fiziķi, kas strādā pie ATLAS detektora, analizēja aptuveni miljonu virsējo un antitopu kvarku pāru — vissmagāko no visām zināmajām elementārdaļiņām un to antimateriāliem. Viņi atrada statistiski pārliecinošus sapīšanās pierādījumus, par kuriem viņi paziņoja pagājušā gada septembrī un šodien žurnālāDaba 1detalizēti aprakstiet. Fiziķi, kas strādā pie LHC otra galvenā detektora CMS, arī apstiprināja sapīšanās novērojumu ziņojumā, kas jūnijā publicēts pirmsdrukas serverī arXiv. 2.

"Tas ir patiešām interesanti, jo šī ir pirmā reize, kad jūs varat pētīt sapinšanos ar visaugstākajām iespējamām enerģijām, kas tiek panākta ar LHC," saka Džūlija Negro, daļiņu fiziķe Purdjū Universitātē Rietumlafajetā, Indiānā, kas bija iesaistīta CMS analīzē.

Zinātniekiem nebija šaubu, ka top kvarku pāri varētu būt sapinušies. The Daļiņu fizikas standarta modelis — pašreizējā labākā teorija par elementārdaļiņām un spēkiem, caur kuriem tās mijiedarbojas, ir balstīta uz kvantu mehāniku, kas apraksta sapīšanās. Tomēr pētnieki saka, ka jaunākajam mērījumam ir vērtība.

"Jūs tiešām negaidāt, ka varēsit salauzt kvantu mehāniku, vai ne?" saka Madrides Teorētiskās fizikas institūta teorētiskais fiziķis Huans Agilars-Saavedra. "Paredzamajam rezultātam nevajadzētu liegt jums novērtēt svarīgas lietas."

Pārejoši topi

Pirms gadiem kafijas pauzes laikā Yoav Afik, eksperimentālais fiziķis, kas pašlaik strādā Čikāgas Universitātē Ilinoisā, un Huans Munozs de Nova, cieto vielu fiziķis tagad Madrides Komplutensas universitātē, prātoja, vai ir iespējams novērot sapīšanos pie sadursmes paātrinātāja. Viņu saruna pārvērtās par papīru 3, kas demonstrēja veidu, kā izmērīt sapīšanos, izmantojot augšējos kvarkus.

Top un antitop kvarku pāri, kas radušies pēc protonu sadursmes, dzīvo neiedomājami īsu mūžu — tikai 10−25sekundes. Pēc tam tie sadalās daļiņās ar ilgāku mūžu.

Iepriekšējie pētījumi 4atklāja, ka augstākajiem kvarkiem to īsā mūža laikā var būt korelēti “griešanās” stāvokļi, kas ir kvantu īpašība, kas ir leņķiskais impulss. Afika un Muñoz de Nova ieskats bija tāds, ka šo mērījumu var paplašināt, lai parādītu, ka augšējo kvarku griešanās stāvokļi ir ne tikai savstarpēji saistīti, bet arī faktiski sapinušies. Jūs definējāt parametru,Dlai aprakstītu korelācijas līmeni. JaDir mazāks par –⅓, augšējie kvarki ir sapinušies.

Daļa no tā, kas galu galā padarīja Afik un Muñoz de Nova priekšlikumu veiksmīgu, ir labāko kvarku īsais kalpošanas laiks. "Jūs nekad to nevarētu izdarīt ar vieglākiem kvarkiem," saka Džeimss Hovarts, eksperimentālais fiziķis Glāzgovas Universitātē, Apvienotajā Karalistē, kurš piedalījās ATLAS analīzē kopā ar Afik un Muñoz de Nova. Kvarkiem nepatīk atdalīties, tāpēc tie sadalās jau pēc 10−24Sekundes sāk sajaukties, veidojot hadronus, piemēram, protonus un neitronus. Bet top kvarks sadalās pietiekami ātri, lai tam nebūtu laika kļūt "hadronizētam" un zaudēt savu griešanās informāciju, sajaucoties, skaidro Hovarts. Tā vietā "visa šī informācija tiek pārnesta uz tās sabrukšanas produktiem," viņš piebilst. Tas nozīmēja, ka pētnieki varēja izmērīt sabrukšanas produktu īpašības, lai tie darbotos atpakaļgaitā un iegūtu sākotnējo augšējo kvarku īpašības, tostarp spinu.

Pēc eksperimentālas augšējo kvarku griešanās mērījuma komandas salīdzināja savus rezultātus ar teorētiskajām prognozēm. Bet augstākās kvalitātes kvarku ražošanas un sabrukšanas modeļi nesakrita ar detektora mērījumiem.

ATLAS un CMS pētnieki dažādos veidos cīnījās ar neskaidrībām. Piemēram, CMS komanda atklāja, ka “toponija” – hipotētiska stāvokļa, kurā top un antitop kvarks ir savienoti kopā – pievienošana analīzēm palīdzēja labāk saskaņot teoriju un eksperimentu.

Galu galā abi eksperimenti ar ATLAS viegli sasniedza –⅓ sapīšanās robežuDar -0,537 un CMS ar -0,480.

Vainaga novietošana

Panākumi sapīšanās novērošanā augstākajos kvarkos varētu uzlabot pētnieku izpratni par augstāko kvarku fiziku un pavērt ceļu turpmākiem sapīšanās testiem ar lielu enerģiju. Citas daļiņas, piemēram Higsa bozons, pat varētu izmantot, lai veiktu Bell testu, vēl stingrāku sapīšanās pētījumu.

Augstākā kvarku eksperiments varētu mainīt fiziķu domāšanas veidu, saka Afik. "Sākumā bija nedaudz grūti pārliecināt sabiedrību", ka pētījums bija laika vērts, viņš saka. Galu galā sapīšanās ir kvantu mehānikas stūrakmens, un tā ir pārbaudīta atkal un atkal.

Bet fakts, ka sapīšanās nav rūpīgi izpētīta augstas enerģijas reģionos, ir pietiekams iemesls Afikam un citiem šīs parādības sekotājiem. "Cilvēki ir sapratuši, ka tagad šajos testos varat sākt izmantot hadronu sadursmes paātrinātājus un cita veida paātrinātājus," saka Hovarts.