Splątanie kwantowe, intrygujący aspekt fizyki kwantowej, pozwala cząstkom pozostać ze sobą połączonymi niezależnie od odległości. Zjawisko to zostało zbadane na zupełnie nowym poziomie w 2023 r., kiedy w ramach współpracy ATLAS w Wielkim Zderzaczu Hadronów zaobserwowano splątanie między kwarkami górnymi, co oznaczało poważny postęp w zrozumieniu podstawowych sił wszechświata.
To odkrycie, które obejmuje najwyższe zbadane energie, może zmienić nasze rozumienie mechaniki kwantowej i jej konsekwencji dla przyszłości fizyki.
Splątanie kwantowe to fascynująca cecha fizyki kwantowej – teorii rzeczy bardzo małych. Jeśli dwie cząstki są splątane kwantowo, stan jednej cząstki jest powiązany ze stanem drugiej, niezależnie od tego, jak daleko są one od siebie oddalone. To oszałamiające zjawisko, które nie ma odpowiednika w fizyce klasycznej, zaobserwowano w wielu różnych układach i znalazło kilka ważnych zastosowań, takich jak kryptografia kwantowa i obliczenia kwantowe. W 2022 r Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki przyznano Alainowi Aspectowi, Johnowi F. Clauserowi i Antonowi Zeilingerowi za przełomowe eksperymenty ze splątanymi fotonami. Eksperymenty te potwierdziły przewidywania dotyczące manifestacji splątania wykonane przez śp CERN teoretyk John Bell i był pionierem nauki o informacji kwantowej.
Przełom w obserwacji splątania przy wysokich energiach
Splątanie pozostaje w dużej mierze niezbadane w przypadku wysokich energii dostępnych w zderzaczach cząstek, takich jak Wielki Zderzacz Hadronów (LHC). W artykule opublikowanym 18 września br Naturaw ramach współpracy ATLAS donosi, jak po raz pierwszy udało się zaobserwować splątanie kwantowe w LHC pomiędzy cząstkami podstawowymi zwanymi kwarkami górnymi i przy najwyższych jak dotąd energiach. Po raz pierwszy zgłoszone przez ATLAS w Wrzesień 2023 i od tego czasu potwierdzone przez dwa obserwacje Wynik ten, uzyskany w ramach współpracy CMS, otworzył nową perspektywę na złożony świat fizyki kwantowej.
„Chociaż fizyka cząstek jest głęboko zakorzeniona w mechanice kwantowej, obserwacja splątania kwantowego w nowym układzie cząstek i przy znacznie wyższej energii niż było to wcześniej możliwe jest niezwykła” – mówi rzecznik ATLAS, Andreas Hoecker. „Toruje drogę nowym badaniom tego fascynującego zjawiska, otwierając bogate menu eksploracji w miarę ciągłego powiększania się naszych próbek danych”.
Metodologia i obserwacje splątania kwantowego
Zespoły ATLAS i CMS zaobserwowały splątanie kwantowe pomiędzy kwarkiem górnym a jego odpowiednikiem w antymaterii. Obserwacje opierają się na: a niedawno zaproponowana metoda wykorzystanie par górnych kwarków wytwarzanych w LHC jako nowego systemu do badania splątania.
Kwark górny jest najcięższą znaną cząstką podstawową. Zwykle rozpada się na inne cząstki, zanim zdąży połączyć się z innymi kwarkami, przenosząc swój spin i inne cechy kwantowe na cząstki rozpadu. Fizycy obserwują i wykorzystują te produkty rozpadu do ustalenia orientacji spinu kwarka górnego.
Aby obserwować splątanie między kwarkami górnymi, w ramach współpracy ATLAS i CMS wyselekcjonowano pary kwarków górnych na podstawie danych ze zderzeń protonów z protonami, które miały miejsce przy energii 13 teraelektronowoltów podczas drugiego przebiegu LHC, w latach 2015–2018. W szczególności naukowcy zaobserwowali poszukiwali par, w których dwa kwarki powstają jednocześnie przy niskim pędzie cząstek względem siebie. Oczekuje się, że w tym miejscu spiny obu kwarków będą silnie splątane.
Istnienie i stopień splątania spinowego można wywnioskować z kąta pomiędzy kierunkami, w których emitowane są elektrycznie naładowane produkty rozpadu dwóch kwarków. Mierząc te odległości kątowe i korygując efekty eksperymentalne, które mogłyby zmienić zmierzone wartości, zespoły ATLAS i CMS zaobserwowały splątanie spinowe pomiędzy kwarkami górnymi ze istotnością statystyczną większą niż pięć odchyleń standardowych.
Implikacje i przyszłe badania w fizyce kwantowej
W swoim drugie badaniew ramach współpracy CMS poszukiwano także par kwarków górnych, w których oba kwarki powstają jednocześnie i mają względem siebie duży pęd. W tej dziedzinie przewiduje się, że dla dużej części par górnych kwarków względne położenia i czasy rozpadów dwóch górnych kwarków będą takie, że wykluczona zostanie klasyczna wymiana informacji przez cząstki poruszające się z prędkością nie większą niż prędkość światła, a CMS również w tym przypadku zaobserwowaliśmy splątanie spinowe pomiędzy kwarkami górnymi.
„Dzięki pomiarom splątania i innym koncepcjom kwantowym w nowym układzie cząstek i w zakresie energii wykraczającym poza to, co było wcześniej dostępne, możemy przetestować Model Standardowy fizyki cząstek elementarnych na nowe sposoby i poszukać oznak nowej fizyki, które mogą leżeć poza nim. ” – mówi rzeczniczka CMS Patricia McBride.
Odniesienie: „Obserwacja splątania kwantowego za pomocą górnych kwarków w detektorze ATLAS” autorstwa The ATLAS Collaboration, 18 września 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-07824-z
