Квантовая запутанность обнаружена в топ-кварках – самых тяжелых известных частицах

Одно из самых удивительных предсказаний физики — запутанность, явление, при котором объекты могут находиться на некотором расстоянии друг от друга, но при этом быть связанными вместе. Наиболее известные примеры запутанности включают крошечные частицы света (фотоны) и низкие энергии.

На Большом адронном коллайдере в Женеве, крупнейшем в мире ускорителе частиц, в ходе эксперимента под названием ATLAS была обнаружена запутанность пар топ-кварков (top quark): самых тяжелых частиц, известных науке.

Результаты описаны в новой статье моих коллег и меня в рамках проекта ATLAS, опубликованной в журнале Nature.

Что такое запутанность?

В повседневной жизни мы думаем об объектах как о «отдельных» или «связанных». Два мяча, находящиеся на расстоянии километра друг от друга, являются отдельными. Два мяча, соединенные веревкой, являются связанными.

Когда два объекта «спутаны», между ними нет физической связи – но они также не являются по-настоящему отдельными. Вы можете сделать измерение первого объекта, и этого достаточно, чтобы узнать, что делает второй объект, даже до того, как вы на него посмотрите.

Два объекта образуют единую систему, хотя их ничто не связывает. Было показано, что это работает с фотонами на противоположных сторонах города.

Эта идея будет знакома поклонникам недавнего сериала «Задача трех тел», основанного на научно-фантастических романах Лю Цысиня.

В сериале пришельцы отправили на Землю крошечный суперкомпьютер, чтобы он вмешался в наши технологии и позволил им общаться с нами. Поскольку этот крошечный объект связан с близнецом в родном мире инопланетян, они могут общаться с ним и управлять им, даже несмотря на то, что он находится на расстоянии четырех световых лет.

Эта часть истории — научная фантастика: запутанность на самом деле не позволяет вам посылать сигналы быстрее света. (Кажется, запутанность должна позволять вам это делать, но согласно квантовой физике это невозможно. Пока что все наши эксперименты согласуются с этим предсказанием.)

Но сама запутанность реальна. Впервые она была продемонстрирована для фотонов в 1980-х годах в том, что тогда было передовым экспериментом.

Сегодня вы можете купить коробку у коммерческого поставщика, которая будет выдавать запутанные пары фотонов. Запутанность — одно из свойств, описанных квантовой физикой, и одно из свойств, которое ученые и инженеры пытаются использовать для создания новых технологий, таких как квантовые вычисления.

С 1980-х годов запутанность также наблюдалась у атомов, у некоторых субатомных частиц и даже у крошечных объектов, подвергающихся очень, очень слабым колебаниям. Все эти примеры относятся к низким энергиям.

Новое открытие из Женевы заключается в том, что запутанность была обнаружена в парах частиц, называемых топ-кварками, где в очень маленьком пространстве сосредоточено огромное количество энергии.

Так что же такое кварки?

Материя состоит из молекул; молекулы состоят из атомов; а атом состоит из легких частиц, называемых электронами, вращающихся вокруг тяжелого ядра в центре, как Солнце в центре солнечной системы. Мы уже знали это из экспериментов примерно к 1911 году.

Затем мы узнали, что ядро ​​состоит из протонов и нейтронов, а к 1970-м годам мы обнаружили, что протоны и нейтроны состоят из еще более мелких частиц, называемых кварками.

Всего существует шесть типов кварков: «верхние» и «нижние» кварки, из которых состоят протоны и нейтроны, а также четыре более тяжелых кварка.

Пятый кварк, «прелестный» или бо́ттом-кварк, примерно в четыре с половиной раза тяжелее протона, и когда мы его обнаружили, мы думали, что он очень тяжелый. Но шестой и последний кварк, «топ-кварк» (исттинный), — это монстр: немного тяжелее атома вольфрама и в 184 раза тяжелее протона.

Никто не знает, почему топ-кварк такой массивный. Топ-кварк является объектом интенсивного изучения на Большом адронном коллайдере именно по этой причине.

Мы думаем, что очень большая масса может быть подсказкой. Возможно, топ-кварк настолько массивен, потому что он чувствует новые силы, помимо тех четырех, о которых мы уже знаем. Или, может быть, у него есть какая-то другая связь с «новой физикой».

Мы знаем, что законы физики, как мы их понимаем в настоящее время, неполны. Изучение поведения топ-кварка может указать нам путь к чему-то новому.

Означает ли запутанность, что топ-кварки являются особенными?

Вероятно, нет. Квантовая физика утверждает, что запутанность обычна и что запутанными могут быть все виды частиц.

Однако запутанность также хрупка.

Многие эксперименты по квантовой физике проводятся при сверхнизких температурах, чтобы избежать «ударов» системы и ее возмущения. Итак, до сих пор запутанность демонстрировалась в системах, где ученые могли создать правильные условия для проведения измерений.

По техническим причинам очень большая масса топ-кварка делает его хорошей лабораторией для изучения запутанности. (Новое измерение ATLAS было бы невозможно для других пяти типов кварков.)

Однако пары топ-кварков не станут основой удобной новой технологии: Большой адронный коллайдер нельзя взять и носить с собой.

Тем не менее, топ-кварки действительно предоставляют новый тип инструмента для проведения экспериментов, а запутанность сама по себе интересна, поэтому мы продолжим поиски, чтобы посмотреть, что еще мы найдем.