Oamenii de știință au făcut-o pentru prima dată Încurcarea cuantică observat - o stare în care particulele fuzionează împreună și își pierd individualitatea, astfel încât nu mai pot fi descrise separat - între quarci. Acest eveniment remarcabil, realizat la CERN, laboratorul european de fizică a particulelor de lângă Geneva, Elveția, ar putea deschide calea pentru studii ulterioare ale informațiilor cuantice din particule la energii mari.

Încurcarea a fost măsurată în particule precum electroni și fotoni de zeci de ani, dar este un fenomen delicat și este cel mai ușor de măsurat în medii cu energie scăzută sau „liniștite”, cum ar fi frigiderele ultra-reci care Calculatoare cuantice găzdui. Ciocniri de particule, cum ar fi cele dintre protoni Ciocnitorul mare de hadroni de la CERN, sunt relativ zgomotoase și pline de energie, ceea ce face mult mai dificilă măsurarea încurcăturii din resturi - asemănător cu a asculta o șoaptă la un concert rock.

Pentru a observa încrucișarea la LHC, fizicienii care lucrează la detectorul ATLAS au analizat aproximativ un milion de perechi de cuarci top și antitop - cele mai grele dintre toate particulele elementare cunoscute și omologii lor de antimaterie. Ei au găsit dovezi statistic copleșitoare de încurcare, pe care le-au anunțat în septembrie anul trecut și astăzi în JurnalNatură 1descrie în detaliu. Fizicienii care lucrează la celălalt detector principal al LHC, CMS, au confirmat, de asemenea, observația încurcăturii într-un raport publicat în iunie pe serverul de pretipărire arXiv. 2.

„Este cu adevărat interesant pentru că este prima dată când poți studia încâlcirea la cele mai înalte energii posibile, ceea ce se realizează cu LHC”, spune Giulia Negro, un fizician al particulelor la Universitatea Purdue din West Lafayette, Indiana, care a fost implicată în analiza CMS.

Oamenii de știință nu au avut nicio îndoială că perechile de quarci de top ar putea fi încurcate. The Model standard al fizicii particulelor — cea mai bună teorie actuală despre particulele elementare și forțele prin care acestea interacționează — se bazează pe mecanica cuantică, care descrie întricarea. Totuși, cercetătorii spun că cea mai recentă măsurătoare are valoare.

„Chiar nu te aștepți să poți sparge mecanica cuantică, nu?” spune Juan Aguilar-Saavedra, un fizician teoretician la Institutul de Fizică Teoretică din Madrid. „Un rezultat așteptat nu ar trebui să vă împiedice să măsurați lucruri importante.”

Topuri trecătoare

În timpul unei pauze de cafea cu ani în urmă, Yoav Afik, un fizician experimental acum la Universitatea din Chicago din Illinois, și Juan Muñoz de Nova, un fizician al materiei solide acum la Universitatea Complutense din Madrid, s-au întrebat dacă este posibil să se observe încurcarea la un accelerator de coliziune. Conversația lor s-a transformat într-o hârtie 3, care a demonstrat o modalitate de a măsura întanglementul folosind quarci de top.

Perechile de quarci de top și antitop create după o coliziune de protoni trăiesc o viață inimaginabil de scurtă - doar 10−25secunde. Apoi se descompun în particule cu viață mai lungă.

Studii anterioare 4a dezvăluit că quarcii de top pot avea stări de „spin” corelate în timpul lor scurt de viață, o proprietate cuantică care este momentul unghiular. Perspectiva lui Afik și Muñoz de Nova a fost că această măsurătoare ar putea fi extinsă pentru a arăta că stările de spin ale quarcilor de top nu sunt doar corelate, ci de fapt încurcate. Ai definit un parametru,Dpentru a descrie nivelul de corelare. DacăDeste mai mic decât −⅓, quarcii de top sunt încurși.

O parte din ceea ce a făcut ca propunerea lui Afik și Muñoz de Nova să aibă succes este durata scurtă de viață a quarcilor de top. „Nu ai putea face niciodată asta cu quarci mai ușoare”, spune James Howarth, un fizician experimental la Universitatea din Glasgow, Marea Britanie, care a făcut parte din analiza ATLAS împreună cu Afik și Muñoz de Nova. Quarcilor nu le place să se separe, așa că se despart după doar 10−24Secundele încep să se amestece pentru a forma hadroni precum protoni și neutroni. Dar un quarc de top se descompune suficient de repede încât să nu aibă timp să devină „hadronizat” și să-și piardă informațiile de rotație prin amestecare, explică Howarth. În schimb, „toate aceste informații sunt transferate către produsele sale de degradare”, adaugă el. Acest lucru a însemnat că cercetătorii au putut măsura proprietățile produselor de dezintegrare pentru a lucra invers și a deriva proprietățile, inclusiv spinul, ale quarcurilor de top părinte.

După ce au făcut o măsurare experimentală a spinurilor quarcilor de top, echipele și-au comparat rezultatele cu predicțiile teoretice. Dar modelele de producție și dezintegrare a cuarcilor de top nu au fost de acord cu măsurătorile detectorului.

Cercetătorii de la ATLAS și CMS s-au luptat cu incertitudinile în moduri diferite. De exemplu, echipa CMS a descoperit că adăugarea „toponiului” – o stare ipotetică în care un quarc de top și antitop sunt legate împreună – la analizele lor a ajutat la o mai bună aliniere a teoriei și a experimentului.

În cele din urmă, ambele experimente au atins cu ușurință limita de încrucișare −⅓, cu ATLASDcu −0,537 și CMS cu −0,480.

Plasarea coroanei

Succesul în observarea întanglementării în quarcii de top ar putea îmbunătăți înțelegerea de către cercetători a fizicii quarcilor de top și ar putea deschide calea pentru viitoare teste de încrucișare de înaltă energie. Alte particule, cum ar fi bosonul Higgs, ar putea fi folosit chiar și pentru a efectua un test Bell, un studiu și mai riguros al încurcăturii.

Experimentul cu quarcurile de top ar putea schimba modul de gândire al fizicienilor, spune Afik. „La început a fost puțin dificil să convingi comunitatea” că studiul a meritat timpul, spune el. La urma urmei, încurcarea este o piatră de temelie a mecanicii cuantice și a fost verificată în repetate rânduri.

Dar faptul că încâlcirea nu a fost explorată temeinic în regiunile cu energie înaltă este un motiv suficient pentru Afik și ceilalți adepți ai fenomenului. „Oamenii și-au dat seama că acum puteți începe să utilizați acceleratoare de coliziune cu hadron și alte tipuri de acceleratoare pentru aceste teste”, spune Howarth.