Vedci po prvýkrát Kvantové zapletenie pozorovaný — stav, v ktorom sa častice spájajú a strácajú svoju individualitu, takže ich už nemožno opísať oddelene — medzi kvarkami. Táto pozoruhodná udalosť dosiahnutá v CERN, európskom laboratóriu časticovej fyziky neďaleko Ženevy vo Švajčiarsku, by mohla pripraviť cestu pre ďalšie štúdie kvantových informácií v časticiach pri vysokých energiách.

Zapletenie sa meria v časticiach, ako sú elektróny a fotóny, už desaťročia, ale ide o chúlostivý jav a najjednoduchšie sa meria v nízkoenergetických alebo „tichých“ prostrediach, ako sú napríklad ultrachladné chladničky, ktoré Kvantové počítače ubytovať. Zrážky častíc, napríklad medzi protónmi Veľký hadrónový urýchľovač z CERN-u, sú pomerne hlasné a vysokoenergetické, takže je oveľa ťažšie merať zapletenie z trosiek – podobne ako počúvanie šepotu na rockovom koncerte.

Na pozorovanie zapletenia na LHC analyzovali fyzici pracujúci na detektore ATLAS asi milión párov top a antitop kvarkov – najťažších zo všetkých známych elementárnych častíc a ich antihmotových náprotivkov. Našli štatisticky zdrvujúce dôkazy o zapletení, ktoré oznámili vlani v septembri a dnes v časopise JournalPríroda 1podrobne opísať. Fyzici pracujúci na ďalšom hlavnom detektore LHC, CMS, tiež potvrdili pozorovanie zapletenia v správe zverejnenej v júni na predtlačovom serveri arXiv. 2.

"Je to naozaj zaujímavé, pretože je to prvýkrát, čo môžete študovať zapletenie pri najvyšších možných energiách, aké sa dosahuje pomocou LHC," hovorí Giulia Negro, časticová fyzička na Purdue University vo West Lafayette, Indiana, ktorá sa podieľala na analýze CMS.

Vedci nepochybovali o tom, že páry top kvarkov môžu byť zapletené. The Štandardný model časticovej fyziky — súčasná najlepšia teória o elementárnych časticiach a silách, prostredníctvom ktorých interagujú — je založená na kvantovej mechanike, ktorá popisuje zapletenie. Napriek tomu vedci tvrdia, že najnovšie meranie má hodnotu.

"Naozaj nečakáš, že dokážeš prelomiť kvantovú mechaniku, však?" hovorí Juan Aguilar-Saavedra, teoretický fyzik z Inštitútu teoretickej fyziky v Madride. "Očakávaný výsledok by vám nemal brániť v meraní dôležitých vecí."

Prechodné topy

Počas prestávky na kávu pred rokmi Yoav Afik, experimentálny fyzik teraz na Chicagskej univerzite v Illinois, a Juan Muñoz de Nova, fyzik pevných látok teraz na univerzite Complutense v Madride, uvažovali, či je možné pozorovať zapletenie na urýchľovači kolízie. Ich rozhovor sa zmenil na papier 3, ktorá demonštrovala spôsob merania zapletenia pomocou top kvarkov.

Páry top a antitop kvarkov vytvorených po zrážke protónov žijú nepredstaviteľne krátke životy – len 10−25sekúnd. Potom sa rozložia na častice s dlhšou životnosťou.

Predchádzajúce štúdiá 4odhalili, že top kvarky môžu mať počas svojej krátkej životnosti korelované „spinové“ stavy, čo je kvantová vlastnosť, ktorou je moment hybnosti. Názor Afika a Muñoza de Nova bol, že toto meranie by sa mohlo rozšíriť, aby sa ukázalo, že spinové stavy top kvarkov nie sú len korelované, ale v skutočnosti sú prepojené. Definovali ste parameter,Dopísať úroveň korelácie. AkDje menšia ako −⅓, top kvarky sú zapletené.

Časť toho, čo nakoniec urobilo návrh Afika a Muñoza de Nova úspešným, je krátka životnosť top kvarkov. „S ľahšími kvarkami by ste to nikdy nedokázali,“ hovorí James Howarth, experimentálny fyzik z University of Glasgow, Spojené kráľovstvo, ktorý bol súčasťou analýzy ATLAS spolu s Afikom a Muñozom de Nova. Kvarky sa neradi oddeľujú, takže sa rozdelia už po 10−24Sekundy sa začnú miešať a vytvárať hadróny, ako sú protóny a neutróny. Ale top kvark sa rozpadá dostatočne rýchlo, takže nemá čas na to, aby sa „hadronizoval“ a stratil svoju spinovú informáciu miešaním, vysvetľuje Howarth. Namiesto toho sa „všetky tieto informácie prenesú do produktov rozkladu,“ dodáva. To znamenalo, že výskumníci mohli merať vlastnosti produktov rozpadu, aby pracovali spätne a odvodili vlastnosti, vrátane spinu, rodičovských top kvarkov.

Po vykonaní experimentálneho merania spinov top kvarkov tímy porovnali svoje výsledky s teoretickými predpoveďami. Ale modely produkcie a rozpadov top kvarku nesúhlasili s meraniami detektora.

Výskumníci v ATLAS a CMS zápasili s neistotou rôznymi spôsobmi. Napríklad tím CMS zistil, že pridanie „topónia“ – hypotetického stavu, v ktorom sú top a antitop kvark navzájom spojené – do ich analýz pomohlo lepšie zosúladiť teóriu a experiment.

Nakoniec oba experimenty ľahko dosiahli −⅓ limit zapletenia s ATLASomDs -0,537 a CMS s -0,480.

Umiestnenie korunky

Úspech pri pozorovaní zapletenia v top kvarkoch by mohol zlepšiť pochopenie fyziky top kvarkov vedcami a pripraviť pôdu pre budúce vysokoenergetické testy zapletenia. Iné častice, napr Higgsov bozón, mohol byť dokonca použitý na vykonanie Bellovho testu, čo je ešte dôslednejšia štúdia zapletenia.

Experiment s top kvarkom by mohol zmeniť spôsob myslenia fyzikov, hovorí Afik. „Spočiatku bolo trochu ťažké presvedčiť komunitu“, že štúdia stála za to, hovorí. Koniec koncov, zapletenie je základným kameňom kvantovej mechaniky a bolo overené znova a znova.

Ale skutočnosť, že zapletenie nebolo dôkladne preskúmané vo vysokoenergetických regiónoch, je dostatočným dôvodom pre Afika a ostatných nasledovníkov tohto fenoménu. „Ľudia si uvedomili, že teraz môžete na tieto testy začať používať urýchľovače kolízií hadrónov a iné typy urýchľovačov,“ hovorí Howarth.