LHC experimenty v cerne pozorujú kvantové previazanie pri doteraz najvyššej energii
Tieto výsledky otvárajú nový pohľad na zložitý svet kvantovej fyziky.
Kvantové previazanie je fascinujúcou črtou kvantovej fyziky – teórie veľmi malých vecí. Ak sú dve častice kvantovo previazané, stav prvej častice je zviazaný so stavom tej druhej, nezávisle na tom, ako ďaleko od seba tieto častice sú. Tento ťažko mysľou prijateľný fakt, ktorý nemá analógiu v klasickej fyzike, bol pozorovaný v širokej škále systémov a našiel niekoľko dôležitých uplatnení, akými sú kvantová kryptografia a kvantové počítače. V roku 2022 bola Alainovi Aspectovi, Johnovi F. Clauserovi a Antonovi Zeilingerovi udelená Nobelova cena za fyziku za prelomové experimenty s previazanými fotónmi. Tieto experimenty potvrdili prejavy kvantového previazania, ktoré predpovedal zosnulý CERNský teoretik John Bell a prispeli k počiatkom kvantovej informatiky.
Kvantové previazanie zostávalo viac-menej nepreskúmané pri vysokých energiách dostupných na časticových urýchľovačoch, akým je Large Hadron Collider (LHC). V článku, ktorý bol dnes publikovaný v Nature, kolaborácia ATLAS opísala, ako po prvý raz a pri doteraz najvyšších energiách úspešne pozorovala kvantové previazanie na LHC a to medzi fundamentálnymi časticami nazývanými top kvarky. Tento výsledok, prvýkrát ohlásený ATLASom v septembri 2023 a následne potvrdený dvoma pozorovaniami uskutočnenými kolaboráciou CMS, otvoril nový pohľad na zložitý svet kvantovej fyziky.
“Aj napriek tomu, že časticová fyzika má korene hlboko v kvantovej mechanike, pozorovanie kvantového previazania v novom časticovom systéme a pri oveľa vyššej energii, než doteraz bolo možné, je pozoruhodné,” povedal hovorca ATLASu Andreas Hoecker. “Pokračujúci prírastok dát dláždi cestu pre nové vyšetrovania tohoto fascinujúceho javu a otvára bohatú ponuku pre ďalší výskum.”
Kolektívy ATLASu a CMS pozorovali kvantové previazanie medzi top kvarkom a jeho antičasticou. Tieto pozorovania sú založené na nedávno navrhnutej metóde, ktorá používa top kvarky produkované na LHC ako nový systém pre štúdium kvantového previazania.
Top kvark je najťažšia známa fundamentálna častica. Za normálnych okolností sa rozpadá na iné častice ešte predtým, než by mal čas skombinovať sa s ďalšími kvarkami. Preto sa jeho spin a ďalšie kvantové atribúty prenášajú na jeho rozpadové produkty. Fyzici pozorujú vlastnosti rozpadových produktov na odvodenie spinovej orientácie pôvodného top kvarku.
Za účelom pozorovania kvantového previazania medzi top kvarkami, ATLAS a CMS vybrali páry top kvarkov z dát z protón-protónových zrážok pri energii 13 teraelektrónvoltov, ktoré boli získané v druhom behu LHC medzi rokmi 2015 a 2018. Pozornosť sústredili na páry, v ktorých top kvarky majú malú vzájomnú hybnosť. V takomto prípade sa očakáva silné kvantové previazanie spinov obidvoch kvarkov.
Existencia a stupeň kvantového previazania spinov sa dá vyvodiť z uhla medzi smermi, do ktorých vyletujú elektricky nabité rozpadové produkty obidvoch kvarkov. Meraním tohoto uhla a po korekcii na experimentálne efekty, ktoré by mohli pozmeniť jeho hodnotu, sa kolektívom ATLASu a CMS podarilo pozorovať kvantové previazanie spinu top kvarkov a to so štatistickou významnosťou väčšou ako päť štandardných odchyliek.
Vo svojej druhej štúdii sa kolaborácia CMS pozrela na páry top kvarkov, v ktorých mali produkované kvarky veľkú vzájomnú hybnosť. V tejto oblasti platí pre veľké percento top kvarkových párov, že predpovede relatívnych polôh a polčasov rozpadu top kvarkov daného páru vylučujú klasickú výmenu informácie časticami neprekračujúcimi rýchlosť svetla. Experiment CMS pozoroval spinové kvantové previazanie medzi top kvarkami aj v tomto prípade.
“Merania kvantového previazania a ďalších kvantových konceptov v novom časticovom systéme a pri energii nad doteraz dostupnými hodnotami poskytujú nové spôsoby testovania Štandardného modelu časticovej fyziky, ako aj nové cesty hľadania prejavov novej fyziky za Štandardným modelom.”
