Частинки, що залишилися в результаті розпаду Z-бозонів, демонструють вагомі докази квантової заплутаності на Великому адронному колайдері CERN.
Z-бозони, елементарні важкі частинки, які розпадаються майже одразу після утворення, демонструють зворотний зв’язок, який може подолати фізичне розділення. Цей зв’язок, відомий як квантова заплутаність, поєднує квантові властивості частинок таким чином, що вимірювання однієї розкриває інформацію про іншу, навіть коли вони знаходяться далеко одна від одної.
Міжнародна група, включаючи фізиків з Оксфордського університету, використовуючи експеримент ATLAS на Великому адронному колайдері поблизу Женеви, Швейцарія, знайшла переконливі докази заплутаних пар Z-бозонів. Опубліковано Листи про фізичний оглядРезультати є одними з найвищих енергетичних підтверджень, які коли-небудь зареєстровані, поширюючи дослідження на частинки, які існують лише в екстремальних умовах.
Співавтор дослідження, професор Алан Барр з кафедри фізики Оксфорда, сказав: «Ми звикли думати про заплутаність як про щось тонке, що спостерігається в лабораторних експериментах з окремими фотонами. Знаходження його живим і здоровим серед частинок, таких як важкі, короткоживучі Z-бозони, що утворюються в деяких із найінтенсивніших зіткнень, показує нам, як цей куб впливає на Землю. Це гарне нагадування, що те саме дивні правила квантової механіки, які одного дня можуть змусити квантові комп’ютери працювати всюди в природі, навіть при екстремальних енергіях Великого адронного колайдера.
Зв’язок зникає після Z-бозонів
Z-бозони в цьому дослідженні були створені в результаті розпаду бозона Хіггса, частинки, відкритої на LHC у 2012 році. Щоб утворити бозони Хіггса, колайдер посилає протони, що рухаються зі швидкістю 99,99% від швидкості світла з енергією зіткнення 13 трильйонів електрон-вольт.
Дослідники спостерігали за процесом розпаду бозона Хіггса, у якому утворюються два Z-бозони, кожен з яких потім розпадається на пару електронів або мюонів. Мюони – це частинки, схожі на електрони, але важчі. Хоча Z-бозони розпадаються майже миттєво, ATLAS може точно відстежувати ці довгоживучі продукти розпаду.
Кути, під якими з’являються електрони та мюони, містять інформацію про спіни оригінальних Z-бозонів, квантову властивість, пов’язану з кутовим моментом. Реконструюючи ці кути, команда могла оцінити колеса та перевірити, чи вони з’єднані скручуванням. Це дозволило дослідникам вивчити квантовий зв’язок між частинками, які вже зникли.
Від фотонів до заплутаних кварків
Його захоплення раніше було продемонстровано за допомогою захоплених фотонів, електронів та іонів. Альберт Ейнштейн описав це як «моторошну дію на відстані», але перевірка його на масивних частинках, що швидко розпадаються, вимагає іншого експериментального підходу.
Барр, який брав участь у створенні LHC, був одним з перших, хто запропонував використовувати колайдери частинок для дослідження континууму при енергіях, вищих, ніж у попередніх експериментах. Він визнав, що інструмент, призначений для виявлення частинок, також може досліджувати їх квантову поведінку. Його ідеї вплинули на експеримент ATLAS у 2023 році, який продемонстрував зв’язок між парами топ-кварків, найважчими відомими елементарними частинками. Розмір Z-бозона поширює це на інший тип частинок.
Квантові інструменти можуть відкрити нову фізику
Ці експерименти на коллайдері також спираються на квантову інформаційну науку, поле, що стоїть за квантовими обчисленнями. Entanglement дозволяє маніпулювати декількома кубітами, основними одиницями квантової інформації, в одній операції, а не окремо, і підтримує паралельні обчислення. Це також лежить в основі нових підходів до високозахищених квантових комунікаційних мереж і нових поколінь датчиків.
Фізики адаптують ідеї та інструменти з поля для більш чутливого аналізу вимірювань коллайдера. Такі методи можуть виявити тонкі ефекти, які виходять за межі поточного розуміння фізики елементарних частинок.
Більші набори даних дають дослідникам більше можливостей для використання цих методів. Оксфордські дослідники допомагають удосконалити детектор ATLAS, який працюватиме разом з оновленим коллайдером високої світності. Очікується, що разом ці вдосконалення підтримають більш детальні дослідження квантових явищ і забезпечать великі обсяги даних для нових методів аналізу квантової інформації.
Професор Даніела Бортолетто з Оксфордського факультету фізики координує зусилля Великої Британії з виробництва модулів для вдосконаленої системи детектора пікселів ATLAS. Він сказав: «Це вимірювання демонструє наукову потужність колаборації ATLAS та унікальні можливості Великого адронного колайдера CERN. Оксфордські дослідники відіграли ключову роль у розробці цих нових підходів до вивчення квантових явищ при високих енергіях, і ми пишаємося тим, що можемо зробити свій внесок у міжнародні зусилля, які відкривають принципово нові шляхи в природі».
Вимірювання також викликають питання про те, як інтерпретувати квантову механіку. В Оксфорді Барр очолює міждисциплінарний проект, який поєднує експериментальні випробування на найменших високоенергетичних масштабах із філософським дослідженням того, що ці випробування розкривають про реальність.
Професор Кріс Тімпсон, головний дослідник проекту з філософського факультету Оксфорда, сказав: «Заплутаність є одночасно найперспективнішим і найскладнішим аспектом квантової реальності; ці експерименти на колайдері, які виявляють заплутаність, пропонують новий рубіж у дослідженні основ квантової механіки».
Цитата: Г. Аад, Е. Ааквааг, Б. Ебботт, С. Абдельхамед, К. Абелінг, Н. Дж. Абіхт, С. Х. Абіді, М. Абоела, А. Абулхор. (Співпраця ATLAS), 11 вересня 2026 р., Листи про фізичний огляд.
DOI: 10.1103/y1nh-1b82
Ніколи не пропустіть прорив: приєднуйтесь до інформаційного бюлетеня SciTechDaily.
Слідкуйте за нами в Google і Google News.
