Учените за първи път Квантово заплитане наблюдавано — състояние, в което частиците се сливат заедно и губят своята индивидуалност, така че вече не могат да бъдат описани отделно — между кварки. Това забележително събитие, постигнато в CERN, Европейската лаборатория по физика на частиците близо до Женева, Швейцария, може да проправи пътя за по-нататъшни изследвания на квантовата информация в частици при високи енергии.

Заплитането се измерва в частици като електрони и фотони от десетилетия, но това е деликатен феномен и най-лесно се измерва в нискоенергийни или „тихи“ среди, като ултрастудените хладилници, които Квантови компютри настанявам. Сблъсъци на частици, като тези между протони Голям адронен колайдер от CERN, са сравнително силни и високоенергийни, което прави много по-трудно измерването на заплитането от отломките - подобно на слушане за шепот на рок концерт.

За да наблюдават заплитането в LHC, физиците, работещи върху детектора ATLAS, анализираха около милион двойки топ и антитоп кварки - най-тежките от всички известни елементарни частици и техните двойници на антиматерията. Те откриха статистически убедителни доказателства за заплитане, което обявиха миналия септември и в Journal днесПриродата 1опишете подробно. Физиците, работещи върху другия основен детектор на LHC, CMS, също потвърдиха наблюдението на заплитането в доклад, публикуван през юни на сървъра за предпечат arXiv 2.

„Наистина е интересно, защото за първи път можете да изследвате заплитането при възможно най-високите енергии, което се постига с LHC“, казва Джулия Негро, физик на елементарните частици в университета Purdue в Уест Лафайет, Индиана, който е участвал в CMS анализа.

Учените не се съмняваха, че топ кварковите двойки могат да бъдат заплетени. The Стандартен модел на физиката на елементарните частици — настоящата най-добра теория за елементарните частици и силите, чрез които те взаимодействат — се основава на квантовата механика, която описва заплитането. Все пак изследователите казват, че последното измерване има стойност.

„Наистина не очаквате да можете да разбиете квантовата механика, нали?“ казва Хуан Агилар-Сааведра, теоретичен физик в Института по теоретична физика в Мадрид. „Очакваният резултат не трябва да ви спира да измервате важни неща.“

Преходни върхове

По време на почивка за кафе преди години Йоав Афик, експериментален физик сега в Чикагския университет в Илинойс, и Хуан Муньос де Нова, физик на твърдата материя сега в Университета Комплутенсе в Мадрид, се чудеха дали е възможно да се наблюдава заплитане в ускорител на сблъсъци. Разговорът им се превърна в хартия 3, който демонстрира начин за измерване на заплитането с помощта на топ кварки.

Двойките топ и антитоп кварки, създадени след протонен сблъсък, живеят невъобразимо кратък живот - само 10−25секунди. След това те се разпадат на частици с по-дълъг живот.

Предишни проучвания 4разкриха, че топ кварките могат да имат корелирани "спинови" състояния по време на краткия си живот, квантово свойство, което е ъглов импулс. Прозрението на Афик и Муньос де Нова беше, че това измерване може да бъде разширено, за да покаже, че спиновите състояния на топ кварките не са просто корелирани, но всъщност са заплетени. Вие дефинирахте параметър,гза да се опише нивото на корелация. Акоге по-малък от −⅓, горните кварки са заплетени.

Част от това, което в крайна сметка направи предложението на Афик и Муньос де Нова успешно, е краткият живот на топ кварките. „Никога не бихте могли да направите това с по-леки кварки“, казва Джеймс Хауърт, експериментален физик от университета в Глазгоу, Обединеното кралство, който беше част от анализа на ATLAS заедно с Афик и Муньос де Нова. Кварките не обичат да се разделят, така че се разделят само след 10−24Секунди започват да се смесват, за да образуват адрони като протони и неутрони. Но един топ кварк се разпада достатъчно бързо, така че да няма време да стане „хадронизиран“ и да загуби информацията си за въртене чрез смесване, обяснява Хауърт. Вместо това „цялата тази информация се прехвърля към нейните продукти на разпадане“, добавя той. Това означаваше, че изследователите могат да измерват свойствата на продуктите на разпадане, за да работят в обратна посока и да извлекат свойствата, включително въртене, на родителските топ кварки.

След като направиха експериментално измерване на завъртанията на топ кварките, екипите сравниха резултатите си с теоретичните прогнози. Но моделите на производството и разпадането на топ кварк не са в съгласие с измерванията на детектора.

Изследователи от ATLAS и CMS се бориха с несигурността по различни начини. Например, екипът на CMS откри, че добавянето на „топониум“ – хипотетично състояние, в което топ и антитоп кварк са свързани заедно – към техните анализи е помогнало за по-доброто съгласуване на теорията и експеримента.

В крайна сметка и двата експеримента лесно достигнаха границата на заплитане -⅓ с ATLASгс -0.537 и CMS с -0.480.

Поставяне на корона

Успехът в наблюдението на заплитането в топ кварките може да подобри разбирането на изследователите за физиката на топ кварките и да проправи пътя за бъдещи високоенергийни тестове на заплитане. Други частици, като бозонът на Хигс, дори може да се използва за извършване на тест на Бел, още по-стриктно изследване на заплитането.

Експериментът с топ кварк може да промени начина, по който физиците мислят, казва Афик. „Отначало беше малко трудно да убедим общността“, че проучването си заслужава времето, казва той. В края на краищата, заплитането е крайъгълен камък на квантовата механика и е потвърждавано отново и отново.

Но фактът, че заплитането не е напълно проучено в региони с висока енергия, е достатъчна причина за Афик и другите последователи на феномена. „Хората разбраха, че сега можете да започнете да използвате ускорители на адронни сблъсъци и други видове ускорители за тези тестове“, казва Хауърт.