Експерименти на Великому адронному колайдері показали, що топ-кварки, найважчі серед елементарних частинок, можуть заплутуватися. Ця квантова заплутаність спостерігається на найвищій енергії, яку коли-небудь вимірювали, що перевищує стандартні експерименти на 12 порядків.
Цікаві результати були виявлені експериментом ATLAS минулого року як попередні дані, і тепер це підтверджено іншим експериментом — Компактним мюонним соленоїдом (CMS). Обидва детектори зафіксували заплутаність спінів топ-кварків зі статистичною значимістю понад п’ять стандартних відхилень. Це означає, що це точно спостережуваний факт, а не випадковість.
“Хоча фізика елементарних частинок глибоко вкорінена в квантовій механіці, спостереження квантової заплутаності у новій системі частинок і на значно вищій енергії, ніж було можливо раніше, є вражаючим,” — зазначив представник ATLAS Андреас Хоккер. “Це відкриває нові можливості для дослідження цього цікавого явища, надаючи широкий спектр нових напрямків, які можна буде досліджувати з подальшими накопиченнями даних.”
Квантова заплутаність — це цікавий стан, який не відбувається на рівні нашого повсякденного світу — лише частинки можуть це відчувати. Це означає, що дві або більше частинок перебувають у єдиному стані. Незалежно від того, як далеко вони перебувають одна від одної, взаємодія з однією негайно змінює стан іншої.
Це може здатися нелогічним або таким, що порушує закони фізики. Як частинка на Марсі, заплутана з іншою на Землі, може змінити стан миттєво? Чи не повинна інформація передаватися зі швидкістю світла? Насправді, жодна інформація не передається — просто змінюється стан частинок. Квантова заплутаність залишається загадковим і крихким явищем: стан може бути порушено, і тоді частинки стануть незв’язаними.
Якщо квантова заплутаність здається дивною сама по собі, давайте розглянемо топ-кварки. Це фундаментальні частинки, які є важчим “кузеном” ап-кварка, що знаходиться в складі протонів і нейтронів. Протони та нейтрони — це частинки, які утворюють усі атоми. Топ-кварки настільки важкі, що їхня маса дорівнює масі молекули кофеїну.
Вони також дуже нестабільні, розпадаючись за 5×10−25 секунд. Цей проміжок часу порівняно з однією секундою такий же, як одна секунда порівняно зі 100 мільйонами разів віку Всесвіту. Проте цей розпад дуже важливий, оскільки дозволяє нам вивчати безліч цікавих частинок. У даній роботі команда CMS також досліджувала формування пар топ-кварків з дуже високим імпульсом.
Пари не могли передавати інформацію одна одній, не порушуючи причинність (і не перевищуючи швидкість світла). Але квантова заплутаність все ж мала місце, як і передбачалося. З цим підтвердженням дослідники можуть почати краще розуміти це квантове явище на сучасних енергетичних межах.
“Завдяки вимірюванням заплутаності та інших квантових концепцій у нових системах частинок і в енергетичному діапазоні, який раніше був недоступний, ми можемо перевірити Стандартну модель фізики елементарних частинок новими способами та шукати ознаки нової фізики, що може виходити за її межі,” — пояснила представник CMS Патрісія МакБрайд.
Стаття ATLAS опублікована в журналі Nature. Перше та друге дослідження CMS наразі доступні на ArXiv.
