Физики впервые наблюдали квантовую запутанность кварков
Ученые впервые наблюдали квантовую запутанность кварков, то есть особое состояние, в котором различные частицы взаимодействуют друг с другом на расстоянии, как одна. Это явлениенаблюдали на Большом адронном коллайдере в CERN, европейской лаборатории физики элементарных частиц, недалеко от Женевы, Швейцария. Открытие может проложить путь к передаче квантовой информации на частицах высоких энергий.
Для наблюдения запутанности на БАК физики, работающие на детекторе ATLAS, проанализировали около миллиона пар топ- и антитоп-кварков — самых тяжелых из всех известных фундаментальных частиц. Физики нашли доказательства запутанности. Работа опубликована в журнале Nature.
Физики, работающие на другом основном детекторе БАК — CMS, подтвердили наблюдение запутанности в отчете, опубликованном на сервере препринтов arXiv.
Ученые не сомневались, что пары топ-кварков могут быть запутанными. Стандартная модель физики частиц — лучшая на сегодняшний день теория фундаментальных частиц и сил, с помощью которых они взаимодействуют, — построена на основе квантовой механики, которая описывает запутывание. Но сделанное наблюдение, тем не менее, очень ценно.
Пары топ- и антитоп-кварков, созданные в результате столкновения протонов, живут бесконечно короткую жизнь — 10^-25 секунды. Затем они распадаются на более долгоживущие частицы.
Запутанность кварков
Предыдущие исследования показали, что во время своей короткой жизни топ-кварки могут иметь коррелированный спин (квантовое свойство, подобное угловому моменту), но физики пришли к выводу, что спины топ-кварков не коррелируют, а действительно запутаны. Они определили параметр D, описывающий степень корреляции. Если D был меньше -1/3, то топ-кварки были запутаны.
Кварки существует в разделенном состояние ничтожное время не более 10^-25 секунды. Наблюдать их непосредственно за это время невозможно. После этого они соединяются и образуют более устойчивые частицы — протоны и нейтроны. Но тяжелый топ-кварк не успевает потерять информацию о своем спине в результате смешивания, говорит Джеймс Ховарт, физик-экспериментатор из Университета Глазго, Великобритания. Информация «передается его распадающимся частицам», добавляет ученый. Это означает, что исследователи могут измерять свойства продуктов распада, чтобы работать в обратном направлении и делать выводы о свойствах родительских топ-кварков и вычислить его спин.
Далеко не сразу, но оба эксперимента уложились в предел запутывания -1/3: ATLAS получил значение D = -0,537, а CMS получил значение D = -0,480. После этого физики объявили о наблюдении запутанных кварков.
Успех в наблюдении запутанности в топ-кварках может улучшить понимание физики топ-кварков и проложить путь для будущих высокоэнергетических тестов запутанности.
Эксперимент с топ-кварком может изменить взгляды физиков, говорит соавтор работы Йоав Афик: «Вначале было трудно убедить сообщество, что исследование стоит того, чтобы потратить на него время. В конце концов, запутанность является основой квантовой механики и неоднократно подтверждалась. Но тот факт, что запутанность не была тщательно изучена при высоких энергиях, является достаточным оправданием».