Naukowcy po raz pierwszy Splątanie kwantowe zaobserwowano — stan, w którym cząstki łączą się ze sobą i tracą swoją indywidualność w taki sposób, że nie można ich już opisać oddzielnie — pomiędzy kwarkami. To niezwykłe wydarzenie, do którego doszło w CERN, europejskim laboratorium fizyki cząstek elementarnych niedaleko Genewy w Szwajcarii, może utorować drogę do dalszych badań informacji kwantowej w cząstkach o wysokich energiach.

Splątanie mierzono w cząstkach takich jak elektrony i fotony od dziesięcioleci, jest to jednak zjawisko delikatne i najłatwiej je zmierzyć w środowiskach niskoenergetycznych lub „cichych”, takich jak bardzo zimne lodówki, w których Komputery kwantowe pomieścić. Zderzenia cząstek, na przykład między protonami Wielki Zderzacz Hadronów z CERN-u, są stosunkowo głośne i mają dużą energię, co znacznie utrudnia pomiar splątania z gruzami – co przypomina słuchanie szeptu na koncercie rockowym.

Aby zaobserwować splątanie w LHC, fizycy pracujący nad detektorem ATLAS przeanalizowali około miliona par kwarków górnych i antytopowych – najcięższych ze wszystkich znanych cząstek elementarnych i ich odpowiedników w antymaterii. Znaleźli statystycznie przytłaczające dowody na splątanie, które ogłosili we wrześniu ubiegłego roku i dzisiaj w czasopiśmie JournalNatura 1opisz szczegółowo. Fizycy pracujący nad innym głównym detektorem LHC, CMS, również potwierdzili obserwację splątania w raporcie opublikowanym w czerwcu na serwerze preprint arXiv 2.

„To naprawdę interesujące, ponieważ po raz pierwszy można badać splątanie przy najwyższych możliwych energiach, co osiąga się za pomocą LHC” – mówi Giulia Negro, fizyk cząstek elementarnych na Uniwersytecie Purdue w West Lafayette w stanie Indiana, który był zaangażowany w analizę CMS.

Naukowcy nie mieli wątpliwości, że pary kwarków górnych mogą być splątane. The Standardowy model fizyki cząstek elementarnych — najlepsza obecnie teoria o cząstkach elementarnych i siłach, za pomocą których oddziałują, opiera się na mechanice kwantowej, która opisuje splątanie. Mimo to naukowcy twierdzą, że najnowszy pomiar ma wartość.

„Naprawdę nie spodziewasz się, że będziesz w stanie złamać mechanikę kwantową, prawda?” mówi Juan Aguilar-Saavedra, fizyk teoretyczny w Instytucie Fizyki Teoretycznej w Madrycie. „Oczekiwany wynik nie powinien powstrzymywać Cię od pomiaru ważnych rzeczy”.

Przejściowe szczyty

Wiele lat temu podczas przerwy na kawę Yoav Afik, fizyk eksperymentalny na Uniwersytecie w Chicago w stanie Illinois, i Juan Muñoz de Nova, fizyk materii stałej obecnie na Uniwersytecie Complutense w Madrycie, zastanawiali się, czy możliwe jest zaobserwowanie splątania w akceleratorze zderzenia. Ich rozmowa zamieniła się w artykuł 3, który zademonstrował sposób pomiaru splątania za pomocą kwarków górnych.

Pary kwarków górnych i antytopowych powstałe w wyniku zderzenia protonów żyją niewyobrażalnie krótko — zaledwie 10-25towary drugiej jakości. Następnie rozkładają się na cząstki o dłuższej żywotności.

Poprzednie badania 4ujawniło, że kwarki górne mogą mieć skorelowane stany „spinowe” podczas swojego krótkiego życia, co jest właściwością kwantową, jaką jest moment pędu. Afik i Muñoz de Nova doszli do wniosku, że pomiar ten można rozszerzyć, aby pokazać, że stany spinowe kwarków górnych są nie tylko skorelowane, ale w rzeczywistości splątane. Zdefiniowałeś parametr,Ddo opisania poziomu korelacji. JeśliDjest mniejszy niż −⅓, kwarki górne są splątane.

Częścią tego, co ostatecznie przesądziło o sukcesie propozycji Afika i Muñoza de Nova, jest krótki czas życia kwarków górnych. „Nigdy nie dałoby się tego zrobić w przypadku lżejszych kwarków” – mówi James Howarth, fizyk eksperymentalny z Uniwersytetu w Glasgow w Wielkiej Brytanii, który wraz z Afikiem i Muñozem de Nova brał udział w analizie ATLAS. Kwarki nie lubią się rozdzielać, więc rozdzieliły się już po 10-24Sekundy zaczynają się mieszać, tworząc hadrony, takie jak protony i neutrony. Jednak kwark górny rozpada się na tyle szybko, że nie ma czasu na „hadronizację” i utratę informacji o spinie w wyniku mieszania – wyjaśnia Howarth. Zamiast tego „wszystkie te informacje są przenoszone do produktów rozpadu” – dodaje. Oznaczało to, że badacze mogli zmierzyć właściwości produktów rozpadu, aby działać wstecz i wyprowadzić właściwości, w tym spin, macierzystych kwarków górnych.

Po dokonaniu eksperymentalnych pomiarów spinów górnych kwarków zespoły porównały swoje wyniki z przewidywaniami teoretycznymi. Jednak modele produkcji i rozpadów kwarków górnych nie zgadzały się z pomiarami detektora.

Naukowcy z ATLAS i CMS na różne sposoby zmagali się z niepewnością. Na przykład zespół CMS odkrył, że dodanie do analiz „toponu” – hipotetycznego stanu, w którym kwark górny i antytopowy są ze sobą połączone – pomogło lepiej dopasować teorię i eksperyment.

Ostatecznie oba eksperymenty z łatwością osiągnęły granicę splątania −⅓ za pomocą ATLAS-uDz -0,537 i CMS z -0,480.

Umieszczenie korony

Sukces w obserwacjach splątania w kwarkach górnych może poszerzyć wiedzę badaczy o fizyce kwarków górnych i utorować drogę przyszłym wysokoenergetycznym testom splątania. Inne cząstki, np bozon Higgsa, można by nawet wykorzystać do przeprowadzenia testu Bella, czyli jeszcze bardziej rygorystycznego badania splątania.

Eksperyment z kwarkiem górnym może zmienić sposób myślenia fizyków, mówi Afik. „Na początku trochę trudno było przekonać społeczność”, że warto było poświęcić czas na badanie, mówi. W końcu splątanie jest kamieniem węgielnym mechaniki kwantowej i było wielokrotnie weryfikowane.

Jednak fakt, że splątanie nie zostało dokładnie zbadane w regionach wysokoenergetycznych, jest wystarczającym powodem dla Afika i innych zwolenników tego zjawiska. „Ludzie zdali sobie sprawę, że można teraz zacząć używać w tych testach akceleratorów zderzeń hadronów i innych typów akceleratorów” – mówi Howarth.