Forskare har för första gången Kvantförveckling observeras — ett tillstånd där partiklar smälter samman och förlorar sin individualitet så att de inte längre kan beskrivas separat — mellan kvarkar. Denna anmärkningsvärda händelse, som uppnåddes vid CERN, det europeiska partikelfysiklaboratoriumet nära Genève, Schweiz, kan bana väg för ytterligare studier av kvantinformation i partiklar vid höga energier.

Intrassling har mätts i partiklar som elektroner och fotoner i decennier, men det är ett känsligt fenomen och är lättast att mäta i lågenergi- eller "tysta" miljöer, som de ultrakalla kylskåpen som Kvantdatorer rymma. Partikelkollisioner, som de mellan protoner Stor Hadron Collider från CERN, är jämförelsevis högljudda och energisnåla, vilket gör det mycket svårare att mäta trassling från skräpet - liknande att lyssna efter en viskning på en rockkonsert.

För att observera intrassling vid LHC analyserade fysiker som arbetade med ATLAS-detektorn ungefär en miljon par topp- och antitoppkvarkar - den tyngsta av alla kända elementarpartiklar och deras motsvarigheter mot materia. De hittade statistiskt överväldigande bevis på intrassling, vilket de tillkännagav i september förra året och i Journal idagNatur 1beskriv i detalj. Fysiker som arbetar med LHC:s andra huvuddetektor, CMS, bekräftade också intrasslingsobservationen i en rapport som publicerades i juni på preprint-servern arXiv 2.

"Det är verkligen intressant eftersom det är första gången du kan studera intrassling vid högsta möjliga energier, vilket uppnås med LHC", säger Giulia Negro, en partikelfysiker vid Purdue University i West Lafayette, Indiana, som var involverad i CMS-analysen.

Forskare hade inga tvivel om att toppkvarkpar kunde intrasslas. De Standardmodell för partikelfysik — den nuvarande bästa teorin om elementarpartiklar och krafterna genom vilka de interagerar — är baserad på kvantmekanik, som beskriver intrassling. Fortfarande säger forskare att den senaste mätningen har värde.

"Du förväntar dig verkligen inte att kunna bryta kvantmekaniken, eller hur?" säger Juan Aguilar-Saavedra, en teoretisk fysiker vid Institutet för teoretisk fysik i Madrid. "Ett förväntat resultat bör inte hindra dig från att mäta viktiga saker."

Övergående toppar

Under en fikapaus för flera år sedan undrade Yoav Afik, en experimentell fysiker nu vid University of Chicago i Illinois, och Juan Muñoz de Nova, en fast materia-fysiker nu vid Complutense University of Madrid, om det var möjligt att observera intrassling vid en kollisionsaccelerator. Deras samtal förvandlades till ett papper 3, som visade ett sätt att mäta intrassling med hjälp av toppkvarkar.

Par av topp- och antitoppkvarkar skapade efter en protonkollision lever ofattbart korta liv - bara 10−25sekunder. De bryts sedan ner till partiklar med längre livslängd.

Tidigare studier 4hade avslöjat att toppkvarkar kan ha korrelerade "spin"-tillstånd under sin korta livstid, en kvantegenskap som är rörelsemängd. Afik och Muñoz de Novas insikt var att denna mätning kunde utökas för att visa att spinntillstånden för toppkvarkar inte bara är korrelerade, utan faktiskt intrasslade. Du definierade en parameter,Dför att beskriva graden av korrelation. OmDär mindre än −⅓, är de översta kvarkarna intrasslade.

En del av det som i slutändan gjorde Afik och Muñoz de Novas förslag framgångsrikt är toppkvarkarnas korta livslängd. "Du skulle aldrig kunna göra det här med lättare kvarkar", säger James Howarth, en experimentell fysiker vid University of Glasgow, Storbritannien, som var en del av ATLAS-analysen tillsammans med Afik och Muñoz de Nova. Kvarkar gillar inte att separera, så de delas efter bara 10−24Sekunder börjar blandas för att bilda hadroner som protoner och neutroner. Men en toppkvark sönderfaller tillräckligt snabbt för att den inte hinner bli "hadroniserad" och förlora sin spininformation genom blandning, förklarar Howarth. Istället, "all denna information överförs till dess sönderfallsprodukter", tillägger han. Detta innebar att forskare kunde mäta egenskaperna hos sönderfallsprodukterna för att arbeta bakåt och härleda egenskaperna, inklusive spinn, hos de överordnade toppkvarkarna.

Efter att ha gjort en experimentell mätning av spinn av toppkvarkar, jämförde teamen sina resultat med teoretiska förutsägelser. Men modellerna för toppkvarkproduktion och sönderfall stämde inte överens med detektorns mätningar.

Forskare vid ATLAS och CMS kämpade med osäkerheterna på olika sätt. Till exempel fann CMS-teamet att tillsatsen av "toponium" - ett hypotetiskt tillstånd där en topp- och antitoppkvarg är sammanbundna - till deras analyser hjälpte till att bättre anpassa teori och experiment.

Till slut nådde båda experimenten lätt −⅓ intrasslingsgränsen, med ATLASDmed -0,537 och CMS med -0,480.

Kronans placering

Framgång med att observera intrassling i toppkvarkar kan förbättra forskarnas förståelse av topkvarkars fysik och bana väg för framtida högenergitester av intrassling. Andra partiklar, som Higgs boson, skulle till och med kunna användas för att utföra ett Bell-test, en ännu mer rigorös studie av intrassling.

Toppkvarkexperimentet kan förändra fysikens sätt att tänka, säger Afik. "Det var lite svårt i början att övertyga samhället" om att studien var värd tiden, säger han. Entanglement är trots allt en hörnsten i kvantmekaniken och har verifierats gång på gång.

Men det faktum att förveckling inte har utforskats grundligt i högenergiregioner är skäl nog för Afik och de andra anhängarna av fenomenet. "Folk har insett att du nu kan börja använda hadronkollisionsacceleratorer och andra typer av acceleratorer för dessa tester", säger Howarth.