Физики впервые наблюдали квантовую запутанность между кварками — фундаментальными строительными блоками протонов и нейтронов — впервые. Это открытие, сделанное на Большом адронном коллайдере ЦЕРН (БАК) недалеко от Женевы, Швейцария, знаменует новый рубеж в изучении квантовой механики и открывает двери для изучения того, как квантовая информация ведет себя в средах с высокими энергиями.

На протяжении десятилетий квантовая запутанность была хорошо изученным явлением. Оно описывает состояние, в котором две частицы, независимо от того, насколько далеко они друг от друга, становятся настолько глубоко связанными, что их судьбы переплетаются. Например, два запутанных электрона остаются связанными, так что, когда спин одного из них измерен и оказывается «вверх», другой, даже на расстоянии световых лет, одновременно будет иметь спин «вниз».

Однако до сих пор запутывание в основном наблюдалось в средах с низким энергопотреблением — в местах, где тихие условия облегчают тонкие измерения. Обнаружить его в хаотических последствиях столкновений протонов на БАК, где резко растут уровни энергии, на порядки сложнее.

Преодоление высокоэнергетического барьера

Эксперимент в ЦЕРН проходил на детекторе ATLAS. Здесь физики проанализировали данные примерно об одном миллионе пар топ- и антитоп-кварков. Это самые тяжелые известные элементарные частицы и их аналоги из антивещества. Эти кварки существуют недолго, прежде чем распасться на другие частицы, проживая всего 10^-25 секунд (нулевая точка 25 десятичных секунд). Несмотря на их эфемерную природу, ученые нашли явные доказательства квантовой запутанности. Результаты опубликованы в журнале Природа в сентябре.

Джулия Негро, физик из Университета Пердью, которая работала над параллельным анализом с помощью детектора CMS CERN, выразила восторг по поводу открытия. «Это действительно интересно, потому что впервые вы можете изучать запутанность при максимально возможных энергиях, полученных с помощью БАКа», — сказала она. Природа .

Хотя для физиков, возможно, и не шокирует тот факт, что кварки могут быть запутаны (в конце концов, квантовая механика, теория, управляющая мельчайшими частицами Вселенной, предсказывает это), открытие очень важно.

«Вы ведь не надеетесь сломать квантовую механику, верно?» — сказал Хуан Агилар-Сааведра, физик-теоретик из Мадрида. «Наличие ожидаемого результата не должно мешать вам измерять важные вещи».

Почему топ-кварки?

Идея измерить запутанность топ-кварков возникла в результате случайного разговора между двумя физиками, Йоавом Афиком и Хуаном Муньосом де Нова, несколько лет назад. Они задались вопросом, можно ли обнаружить квантовую запутанность в высокоэнергетической среде БАКа. Их мозговой штурм в конечном итоге привел к созданию метода измерения спинов топ-кварков и определения того, запутаны ли эти спины.

Одной из причин, по которой топ-кварки идеально подходят для этого исследования, является их короткая продолжительность жизни. В отличие от более легких кварков, которые быстро объединяются с другими, образуя более крупные частицы, такие как протоны и нейтроны, топ-кварки распадаются так быстро, что сохраняют информацию о своем спине. Это позволило исследователям отойти от продуктов распада и сделать выводы о свойствах исходных кварков.

Команды ATLAS и CMS сравнили свои экспериментальные данные с теоретическими моделями и обнаружили, что обе легко достигают математического порога запутанности.

Последствия для будущего

Это наблюдение запутанных кварков может изменить подход ученых к физике высоких энергий. Это может даже проложить путь к более строгим испытаниям квантовой механики. Например, исследователи могут использовать неуловимый бозон Хиггса для проведения теста Белла — эксперимента «золотого стандарта» для исследования запутанности.

Авторы надеются, что этот успех изменит взгляд физиков на потенциал коллайдеров частиц. В конце концов, запутанность уже давно подтверждена в низкоэнергетических системах. Но теперь, когда это явление было доказано в высокоэнергетическом хаосе БАКа, существует совершенно новая область квантовых явлений, ожидающая изучения.

Этот прорыв сигнализирует об открытии новой захватывающей главы в изучении квантовой запутанности и может стать началом более глубокого понимания самых фундаментальных частиц Вселенной.