Wetenschappers hebben dit voor het eerst gedaan Kwantumverstrengeling waargenomen – een toestand waarin deeltjes samensmelten en hun individualiteit verliezen, zodat ze niet langer afzonderlijk kunnen worden beschreven – tussen quarks. Deze opmerkelijke gebeurtenis, bereikt bij CERN, het Europese laboratorium voor deeltjesfysica nabij Genève, Zwitserland, zou de weg kunnen vrijmaken voor verder onderzoek naar kwantuminformatie in deeltjes met hoge energie.

Verstrengeling wordt al tientallen jaren gemeten in deeltjes zoals elektronen en fotonen, maar het is een delicaat fenomeen en het gemakkelijkst te meten in energiezuinige of ‘stille’ omgevingen, zoals de ultrakoude koelkasten die Kwantumcomputers herbergen. Deeltjesbotsingen, zoals die tussen protonen Grote Hadron-botser van CERN, zijn relatief luid en energiek, waardoor het veel moeilijker wordt om de verstrengeling door het puin te meten – vergelijkbaar met het luisteren naar gefluister tijdens een rockconcert.

Om verstrengeling bij de LHC waar te nemen, analyseerden natuurkundigen die aan de ATLAS-detector werkten ongeveer een miljoen paren top- en antitop-quarks – de zwaarste van alle bekende elementaire deeltjes en hun antimaterie-tegenhangers. Ze vonden statistisch overweldigend bewijs van verstrengeling, wat ze afgelopen september en vandaag in de Journal aankondigdenNatuur 1gedetailleerd beschrijven. Natuurkundigen die aan de andere hoofddetector van de LHC, CMS, werken, bevestigden de verstrengelingsobservatie ook in een rapport dat in juni werd gepubliceerd op de preprint-server arXiv. 2.

“Het is echt interessant omdat het de eerste keer is dat je verstrengeling bij de hoogst mogelijke energieën kunt bestuderen, wat wordt bereikt met de LHC”, zegt Giulia Negro, deeltjesfysicus aan de Purdue University in West Lafayette, Indiana, die betrokken was bij de CMS-analyse.

Wetenschappers twijfelden er niet aan dat top-quarkparen met elkaar verstrengeld konden zijn. De Standaardmodel van deeltjesfysica – de huidige beste theorie over elementaire deeltjes en de krachten waarmee ze op elkaar inwerken – is gebaseerd op de kwantummechanica, die verstrengeling beschrijft. Toch zeggen onderzoekers dat de nieuwste meting waarde heeft.

“Je verwacht toch niet dat je de kwantummechanica kunt doorbreken?” zegt Juan Aguilar-Saavedra, een theoretisch natuurkundige aan het Instituut voor Theoretische Fysica in Madrid. “Een verwacht resultaat mag je er niet van weerhouden belangrijke dingen te meten.”

Tijdelijke toppen

Tijdens een koffiepauze jaren geleden vroegen Yoav Afik, een experimenteel natuurkundige aan de Universiteit van Chicago in Illinois, en Juan Muñoz de Nova, een natuurkundige aan de Complutense Universiteit van Madrid, zich af of het mogelijk was om verstrengeling bij een botsingsversneller waar te nemen. Hun gesprek werd een papier 3, dat een manier demonstreerde om verstrengeling te meten met behulp van top-quarks.

Paren van top- en antitop-quarks die na een protonenbotsing zijn ontstaan, leven onvoorstelbaar kort: slechts tien jaar−25seconden. Vervolgens vallen ze uiteen in deeltjes met een langere levensduur.

Eerdere onderzoeken 4had onthuld dat top-quarks tijdens hun korte levensduur gecorreleerde ‘spin’-toestanden kunnen hebben, een kwantumeigenschap die impulsmoment is. Het inzicht van Afik en Muñoz de Nova was dat deze meting kon worden uitgebreid om aan te tonen dat de spintoestanden van top-quarks niet alleen gecorreleerd zijn, maar feitelijk met elkaar verstrengeld zijn. Je hebt een parameter gedefinieerd,Dom het niveau van correlatie te beschrijven. AlsDkleiner is dan −⅓, zijn de top-quarks verstrengeld.

Een deel van wat het voorstel van Afik en Muñoz de Nova uiteindelijk succesvol maakte, is de korte levensduur van de top-quarks. “Je zou dit nooit kunnen doen met lichtere quarks”, zegt James Howarth, een experimenteel natuurkundige aan de Universiteit van Glasgow, VK, die samen met Afik en Muñoz de Nova deel uitmaakte van de ATLAS-analyse. Quarks houden er niet van om te scheiden, dus splitsten ze zich al na 10−24Seconden beginnen zich te vermengen en vormen hadronen zoals protonen en neutronen. Maar een top-quark vervalt zo snel dat hij geen tijd heeft om te ‘hadroniseren’ en zijn spin-informatie te verliezen door te mixen, legt Howarth uit. In plaats daarvan “wordt al deze informatie overgebracht naar de vervalproducten ervan”, voegt hij eraan toe. Dit betekende dat onderzoekers de eigenschappen van de vervalproducten konden meten om achteruit te werken en de eigenschappen, inclusief spin, van de ouder-top-quarks konden afleiden.

Nadat ze een experimentele meting hadden gedaan van de spins van de top-quarks, vergeleken de teams hun resultaten met theoretische voorspellingen. Maar de modellen van de productie en het verval van top-quarks kwamen niet overeen met de metingen van de detector.

Onderzoekers van ATLAS en CMS worstelden op verschillende manieren met de onzekerheden. Het CMS-team ontdekte bijvoorbeeld dat het toevoegen van ‘toponium’ – een hypothetische toestand waarin een top- en antitop-quark aan elkaar zijn gebonden – aan hun analyses hielp de theorie en het experiment beter op elkaar af te stemmen.

Uiteindelijk bereikten beide experimenten met ATLAS gemakkelijk de −⅓ verstrengelingslimietDmet −0,537 en CMS met −0,480.

Kroon plaatsing

Succes bij het observeren van verstrengeling in top-quarks zou het inzicht van onderzoekers in de fysica van top-quarks kunnen verbeteren en de weg kunnen vrijmaken voor toekomstige hoogenergetische tests van verstrengeling. Andere deeltjes, zoals het Higgsdeeltje, zou zelfs kunnen worden gebruikt om een ​​Bell-test uit te voeren, een nog rigoureuzere studie van verstrengeling.

Het top-quark-experiment zou de manier waarop natuurkundigen denken kunnen veranderen, zegt Afik. “In het begin was het een beetje moeilijk om de gemeenschap ervan te overtuigen” dat het onderzoek de moeite waard was, zegt hij. Verstrengeling is immers een hoeksteen van de kwantummechanica en is keer op keer geverifieerd.

Maar het feit dat verstrengeling niet grondig is onderzocht in hoogenergetische gebieden is reden genoeg voor Afik en de andere volgers van het fenomeen. “Mensen hebben zich gerealiseerd dat je nu hadronbotsingsversnellers en andere soorten versnellers voor deze tests kunt gaan gebruiken”, zegt Howarth.