Znanstveniki so prvič Kvantna prepletenost opazili — stanje, v katerem se delci zlijejo skupaj in izgubijo svojo individualnost, tako da jih ni več mogoče ločeno opisati — med kvarki. Ta izjemen dogodek, dosežen v CERN-u, evropskem laboratoriju za fiziko delcev blizu Ženeve v Švici, bi lahko utrl pot nadaljnjim študijam kvantnih informacij v delcih pri visokih energijah.

Prepletenost so že desetletja merili v delcih, kot so elektroni in fotoni, vendar je to občutljiv pojav in ga je najlažje izmeriti v nizkoenergijskih ali "tihih" okoljih, kot so ultrahladni hladilniki, ki Kvantni računalniki prilagoditi. Trki delcev, na primer med protoni Veliki hadronski trkalnik iz CERN-a, so sorazmerno glasni in visokoenergijski, zaradi česar je veliko težje izmeriti prepletenost z razbitinami - podobno kot poslušanje šepeta na rock koncertu.

Da bi opazovali prepletenost na LHC, so fiziki, ki delajo na detektorju ATLAS, analizirali približno milijon parov top in antitop kvarkov - najtežjih od vseh znanih osnovnih delcev in njihovih dvojnikov antimaterije. Našli so statistično prepričljive dokaze o prepletenosti, ki so jih objavili lani septembra in danes v JournaluNarava 1podrobno opisati. Fiziki, ki delajo na drugem glavnem detektorju LHC, CMS, so prav tako potrdili opazovanje prepletenosti v poročilu, objavljenem junija na strežniku za prednatis arXiv 2.

"To je res zanimivo, ker je prvič, da lahko preučujete prepletenost pri najvišjih možnih energijah, kar je doseženo z LHC," pravi Giulia Negro, fizik delcev na univerzi Purdue v West Lafayette, Indiana, ki je sodelovala pri analizi CMS.

Znanstveniki niso dvomili, da bi se top kvarkovi pari lahko zapletli. The Standardni model fizike delcev — trenutno najboljša teorija o osnovnih delcih in silah, prek katerih medsebojno delujejo — temelji na kvantni mehaniki, ki opisuje prepletenost. Kljub temu raziskovalci pravijo, da ima zadnja meritev vrednost.

"Res ne pričakujete, da boste lahko razbili kvantno mehaniko, kajne?" pravi Juan Aguilar-Saavedra, teoretični fizik na Inštitutu za teoretično fiziko v Madridu. "Pričakovani rezultat vam ne bi smel preprečiti merjenja pomembnih stvari."

Prehodni vrhovi

Med odmorom za kavo pred leti sta se Yoav Afik, eksperimentalni fizik zdaj na Univerzi v Chicagu v Illinoisu, in Juan Muñoz de Nova, fizik trdne snovi zdaj na Univerzi Complutense v Madridu, spraševala, ali je mogoče opazovati prepletanje na pospeševalniku trkov. Njun pogovor se je spremenil v papir 3, ki je pokazal način za merjenje prepletenosti z uporabo top kvarkov.

Pari top in antitop kvarkov, ustvarjenih po trku protonov, živijo nepredstavljivo kratko - samo 10−25sekund. Nato razpadejo na dlje živeče delce.

Prejšnje študije 4je razkril, da imajo top kvarki lahko korelirana "spinska" stanja v svoji kratki življenjski dobi, kar je kvantna lastnost, ki je kotni moment. Vpogled Afika in Muñoza de Nove je bil, da bi to meritev lahko razširili, da bi pokazali, da spinska stanja top kvarkov niso le povezana, ampak dejansko zapletena. Določili ste parameter,Dza opis stopnje korelacije. čeDmanjši od −⅓, so top kvarki zapleteni.

Del tega, zaradi česar je bil predlog Afika in Muñoza de Nove uspešen, je kratka življenjska doba top kvarkov. "Tega nikoli ne bi mogli storiti z lažjimi kvarki," pravi James Howarth, eksperimentalni fizik na Univerzi v Glasgowu v Veliki Britaniji, ki je bil del analize ATLAS skupaj z Afikom in Muñozom de Novo. Kvarki se ne marajo ločevati, zato se razcepijo že po 10−24Sekunde se začnejo mešati in tvorijo hadrone, kot so protoni in nevtroni. Toda top kvark razpade dovolj hitro, da nima časa, da postane "hadroniziran" in izgubi informacije o vrtenju z mešanjem, pojasnjuje Howarth. Namesto tega se »vse te informacije prenesejo na produkte razpadanja«, dodaja. To je pomenilo, da bi raziskovalci lahko izmerili lastnosti razpadnih produktov, da bi delovali nazaj in izpeljali lastnosti, vključno z vrtenjem, matičnih top kvarkov.

Po eksperimentalni meritvi vrtljajev top kvarkov so ekipe primerjale svoje rezultate s teoretičnimi napovedmi. Toda modeli proizvodnje top kvarkov in razpadov se niso strinjali z meritvami detektorja.

Raziskovalci na ATLAS in CMS so se z negotovostmi spopadali na različne načine. Na primer, skupina CMS je ugotovila, da je dodajanje "toponija" - hipotetičnega stanja, v katerem sta top in antitop kvark povezana skupaj - njihovim analizam pomagalo bolje uskladiti teorijo in eksperiment.

Na koncu sta oba poskusa zlahka dosegla mejo zapletanja –⅓ z ATLAS-omDz –0,537 in CMS z –0,480.

Namestitev krone

Uspeh pri opazovanju prepletenosti v top kvarkih bi lahko izboljšal razumevanje raziskovalcev o fiziki top kvarkov in utrl pot za prihodnje visokoenergijske teste prepletenosti. Drugi delci, npr Higgsov bozon, bi lahko uporabili celo za izvedbo Bellovega testa, še bolj stroge študije zapletanja.

Eksperiment top quark bi lahko spremenil način razmišljanja fizikov, pravi Afik. "Na začetku je bilo malo težko prepričati skupnost", da je študija vredna časa, pravi. Navsezadnje je prepletenost temelj kvantne mehanike in je bila vedno znova preverjena.

Toda dejstvo, da prepletenost ni bila temeljito raziskana v visokoenergijskih regijah, je zadosten razlog za Afika in druge privržence tega pojava. "Ljudje so ugotovili, da lahko zdaj začnete uporabljati pospeševalnike hadronskih trkov in druge vrste pospeševalnikov za te teste," pravi Howarth.