Forskere har for første gang Kvanteforviklinger observert - en tilstand der partikler smelter sammen og mister sin individualitet slik at de ikke lenger kan beskrives separat - mellom kvarker. Denne bemerkelsesverdige begivenheten, oppnådd ved CERN, det europeiske partikkelfysikklaboratoriet nær Genève, Sveits, kan bane vei for videre studier av kvanteinformasjon i partikler ved høye energier.

Sammenfiltring har blitt målt i partikler som elektroner og fotoner i flere tiår, men det er et delikat fenomen og er lettest å måle i lavenergi- eller "stille" miljøer, som de ultrakalde kjøleskapene som Kvantedatamaskiner imøtekomme. Partikkelkollisjoner, for eksempel mellom protoner Stor Hadron Collider fra CERN, er relativt høye og energiske, noe som gjør det mye vanskeligere å måle sammenfiltring fra ruskene – i likhet med å lytte etter en hvisking på en rockekonsert.

For å observere sammenfiltring ved LHC, analyserte fysikere som jobbet med ATLAS-detektoren omtrent en million par topp- og antitoppkvarker - den tyngste av alle kjente elementærpartikler og deres antimaterie-motstykker. De fant statistisk overveldende bevis på sammenfiltring, som de kunngjorde i september i fjor og i Journal i dagNatur 1beskrive i detalj. Fysikere som jobber med LHCs andre hoveddetektor, CMS, bekreftet også sammenfiltringsobservasjonen i en rapport publisert i juni på preprint-serveren arXiv 2.

"Det er veldig interessant fordi det er første gang du kan studere sammenfiltring med høyest mulig energi, som oppnås med LHC," sier Giulia Negro, en partikkelfysiker ved Purdue University i West Lafayette, Indiana, som var involvert i CMS-analysen.

Forskere var ikke i tvil om at topp-kvarkepar kunne vikles inn. De Standard modell for partikkelfysikk — den nåværende beste teorien om elementarpartikler og kreftene de samhandler gjennom — er basert på kvantemekanikk, som beskriver sammenfiltring. Likevel sier forskere at den siste målingen har verdi.

"Du forventer virkelig ikke å kunne bryte kvantemekanikken, gjør du?" sier Juan Aguilar-Saavedra, en teoretisk fysiker ved Institutt for teoretisk fysikk i Madrid. "Et forventet resultat bør ikke stoppe deg fra å måle viktige ting."

Forbigående topper

Under en kaffepause for år siden lurte Yoav Afik, en eksperimentell fysiker nå ved University of Chicago i Illinois, og Juan Muñoz de Nova, en faststofffysiker nå ved Complutense University of Madrid, om det var mulig å observere sammenfiltring ved en kollisjonsakselerator. Samtalen deres ble til en avis 3, som demonstrerte en måte å måle sammenfiltring ved hjelp av toppkvarker.

Par med topp- og antitoppkvarker opprettet etter en protonkollisjon lever ufattelig korte liv - bare 10−25sekunder. De brytes deretter ned til partikler med lengre levetid.

Tidligere studier 4hadde avslørt at toppkvarker kan ha korrelerte "spinn"-tilstander i løpet av deres korte levetid, en kvanteegenskap som er vinkelmomentum. Afik og Muñoz de Novas innsikt var at denne målingen kunne utvides til å vise at spinntilstandene til toppkvarker ikke bare er korrelert, men faktisk sammenfiltret. Du definerte en parameter,Dfor å beskrive korrelasjonsnivået. HvisDer mindre enn −⅓, er toppkvarkene sammenfiltret.

Noe av det som til slutt gjorde Afik og Muñoz de Novas forslag vellykket, er den korte levetiden til toppkvarkene. "Du kan aldri gjøre dette med lettere kvarker," sier James Howarth, en eksperimentell fysiker ved University of Glasgow, Storbritannia, som var en del av ATLAS-analysen sammen med Afik og Muñoz de Nova. Kvarker liker ikke å skilles, så de deler seg etter bare 10−24Sekunder begynner å blande seg for å danne hadroner som protoner og nøytroner. Men en toppkvark forfaller raskt nok til at den ikke rekker å bli «hadronisert» og miste spinninformasjonen gjennom blanding, forklarer Howarth. I stedet blir "all denne informasjonen overført til forfallsproduktene," legger han til. Dette betydde at forskere kunne måle egenskapene til forfallsproduktene for å arbeide bakover og utlede egenskapene, inkludert spinn, til de overordnede toppkvarkene.

Etter å ha foretatt en eksperimentell måling av spinnene til toppkvarkene, sammenlignet teamene resultatene sine med teoretiske spådommer. Men modellene for toppkvarkproduksjon og forfall stemte ikke overens med detektorens målinger.

Forskere ved ATLAS og CMS slet med usikkerhetene på ulike måter. For eksempel fant CMS-teamet at det å legge til "toponium" - en hypotetisk tilstand der en topp- og antitoppkvark er bundet sammen - til analysene deres bidro til å samkjøre teori og eksperimenter bedre.

Til slutt nådde begge eksperimentene lett −⅓ sammenfiltringsgrensen, med ATLASDmed -0,537 og CMS med -0,480.

Kroneplassering

Suksess med å observere sammenfiltring i toppkvarker kan forbedre forskernes forståelse av fysikken til toppkvarker og bane vei for fremtidige høyenergitester av sammenfiltring. Andre partikler, som Higgs-bosonen, kan til og med brukes til å utføre en Bell-test, en enda mer streng studie av sammenfiltring.

Toppkvark-eksperimentet kan endre måten fysikere tenker på, sier Afik. "Det var litt vanskelig i begynnelsen å overbevise samfunnet" om at studiet var verdt tiden, sier han. Tross alt er sammenfiltring en hjørnestein i kvantemekanikken og har blitt verifisert gang på gang.

Men det faktum at sammenfiltring ikke har blitt grundig utforsket i høyenergiregioner er grunn nok for Afik og de andre tilhengerne av fenomenet. "Folk har innsett at du nå kan begynne å bruke hadron-kollisjonsakseleratorer og andre typer akseleratorer for disse testene," sier Howarth.