Исследование опубликовано в журнале Nature.
Физики на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРНе впервые наблюдали квантовую запутанность между кварками. Это фундаментальные частицы, из которых состоит материя. Результаты наблюдений открывают новые возможности для изучения квантовых явлений при высоких энергиях, отмечают ученые.
Квантовая запутанность — состояние, в котором частицы смешиваются, теряя свою индивидуальность, так что их больше нельзя описать по отдельности. Запутанность уже наблюдали в «крупных» частицах, таких как электроны и фотоны, но это неуловимое явление легче всего измерить в низкоэнергетических или «тихих» средах, таких как ультрахолодные холодильники, в которых размещаются квантовые компьютеры.
Для наблюдения запутанности кварков физики проанализировали около миллиона пар топ- и антитоп-кварков, образующихся при столкновениях протонов в БАК. Топ-кварки — самые тяжелые из известных элементарных частиц, живущие лишь 10 — 25 секунды. Исследователи измеряли спины — квантовое свойство, похожее на вращение — продуктов распада этих короткоживущих частиц, чтобы определить, были ли исходные кварки запутаны.
Ключом к успеху стала идея физиков Йоава Афика и Хуана Муньоса де Новы, предложивших способ измерения запутанности с помощью топ-кварков. Они ввели параметр D для описания степени корреляции спинов: значение D меньше — 1/3 указывало бы на запутанность. Эксперименты ATLAS и CMS на БАК подтвердили это предположение, измерив значения D, равные — 0,537 и — 0,480 соответственно.
Это открытие важно, поскольку впервые демонстрирует квантовую запутанность в условиях высоких энергий, характерных для столкновений частиц в коллайдере. Хотя теоретики и ожидали, что топ-кварки могут быть запутанными, экспериментальное подтверждение этого факта открывает новые горизонты для изучения квантовых эффектов в физике высоких энергий.
Ученые пришли к выводу, что это наблюдение может изменить подход к исследованиям в физике элементарных частиц. Оно показывает, что адронные коллайдеры можно использовать для проведения фундаментальных тестов квантовой механики при экстремальных энергиях. В будущем подобные эксперименты могут быть проведены с другими частицами, например, с бозоном Хиггса, что позволит глубже изучить природу квантовой запутанности в мире элементарных частиц.
