Ученые впервые наблюдали квантовую запутанность — состояние, в котором частицы ведут себя, словно одна, — между кварками. Успех был достигнут в ЦЕРНе на Большом адронном коллайдере. Научная статья вышла в Nature, об открытии сообщает служба новостей издательства.
Запутанность известна в электронах и фотонах, но это хрупкое явление легче всего измерить в средах с низкой энергией, или «тихих», таких как ультрахолодные охладители квантовых компьютеров. Столкновения частиц, например, в Большом адронном коллайдере, сравнительно «шумные» и высокоэнергетические. Это значительно усложняет фиксацию запутанности в оставшихся после столкновения обломках — как если бы пытались услышать шепот на рок-концерте.
Физики, работающие с детектором ATLAS, проанализировали около миллиона пар топ- и анти-топ-кварков — самых тяжелых из всех известных фундаментальных частиц и их аналогов в антиматерии. Они обнаружили статистически обоснованное доказательство запутанности. Физики, работающие с другим основным детектором CMS, также подтвердили это в статье, вышедшей пока в препринте.
«Впервые мы зафиксировали запутанность при самых высоких возможных энергиях», — говорит Джулия Негро, физик частиц из Университета Пердью (США).
У ученых не было сомнений, что пары топ-кварков могут быть запутанными. Стандартная модель физики частиц — лучшая на данный момент теория фундаментальных частиц и сил — предполагает это. Тем не менее, экспериментальное доказательство очень ценно.
Пары топ- и анти-топ-кварков, рождающиеся в результате столкновения протонов, живут бесконечно короткую жизнь — всего 10 в минус 25 степени секунды. Затем они распадаются на более долговечные частицы. Топ-кварки могут иметь «спин» — квантовое свойство, схожее с угловым моментом (особенности вращения, если очень упрощенно). Именно спины топ-кварков могут быть действительно запутаны. Они определили параметр, D, для описания степени «взаимосвязанности». Если D был меньше −⅓, топ-кварки были запутанными.
Запутанность фиксировали не напрямую в кварках, а в продуктах их распада. Из-за того, что топ-кварк распадается так быстро, вся информация с него «переносится» на них. Исследователи измерили свойства продуктов распада и, отталкиваясь от этого, определили свойства родительских топ-кварков.
В итоге, оба эксперимента легко преодолели порог запутанности −⅓, при чем ATLAS получил D равным −0.537, а CMS — −0.480.
В будущем ученые планируют искать запутанность в других частицах, например, в бозоне Хиггса. Открытие углубляет наше понимание устройства мира на самом фундаментальном, базовом уровне.