Ученые измерили запутанность кварков на Большом адронном коллайдере

На самом маленьком уровне Вселенная действует настолько причудливо, что даже Альберту Эйнштейну было трудно понять это. Примером странности в квантовой сфере является явление квантовой запутанности.

В нашем классическом мире, если Алиса подбрасывает монету на Северном полюсе, а Боб подбрасывает монету на Южном, и они оба имеют 50%-ную вероятность выпадения «орла» и 50%-ную вероятность выпадения «решки». Результат одного подбрасывания монеты не повлияет на результат другого. (Алиса и Боб — имена, обычно использующиеся в качестве условных обозначений взаимодействующих агентов в таких областях, как криптография, компьютерная безопасность и физика.)

В квантовом мире это не обязательно будет правдой. Две частицы могут «запутаться», что в данном случае будет означать, что монеты будут соединены в результате их подбрасывания. Если на одной выпадет орел, то на другой выпадет решка, и наоборот. Так что, если бы Алиса увидела, что у нее выпала решка, она бы сразу поняла, что у Боба выпал орел.

Эйнштейну это казалось невозможным. Проблема заключалась в следующем: чтобы одна запутанная частица воздействовала на другую, даже если они разделены большим расстоянием, казалось, что информация — например, результат подбрасывания монеты или разрешение квантового состояния частицы — должна перемещаться между ними быстрее скорости света.

Но квантовая запутанность, которую Эйнштейн, как известно, назвал «жутким действием на расстоянии», теперь является общепризнанным фактом природы.

Это явление наблюдают исследователи по всему миру, и Нобелевская премия по физике 2022 года была присуждена трем учёным за экспериментальное развитие нашего понимания этого явления. Ученые обнаружили квантовую запутанность в ходе экспериментов с макроскопическими алмазами и ультрахолодными газами.

В сентябре 2023 года коллаборация ATLAS добилась еще одного успеха, представив измерение квантовой запутанности с самой высокой энергией за всю историю с использованием топ-кварков, произведенных в Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРН. Интересно, что измерение получилось несколько иным, чем ожидалось.

Когда частицы сталкиваются

На БАКе ученые ускоряют протоны до релятивистских скоростей при высоких энергиях, приводя их к столкновениям друг с другом примерно 40 миллионов раз в секунду. Энергия столкновений может генерировать новые частицы, что позволяет экспериментам, таким как ATLAS, изучать их свойства.

Когда частицы рождаются в результате столкновений на БАКе, некоторые из них естественным образом запутываются. Например: характеристикой частицы, которую можно измерить, является ее спин; две частицы, возникшие в результате одного и того же столкновения, могут запутаться так, что у них будет противоположный спин.

Одним из типов частиц, которые ученые изучают на БАКе, являются топ-кварки, которые тяжелее любой другой известной фундаментальной частицы (t-кварк, сокращение от топ-кварк, англ. top quark или истинный кварк). Из-за своей большой массы топ-кварки очень быстро распадаются после образования. Этот быстрый распад предотвращает процесс, который обычно проходят кварки, называемый адронизацией.

Адронизация заставляет кварки захватывать другие кварки и объединяться в более стабильные сгустки кварков, такие как протоны и нейтроны. Тот факт, что топ-кварки не могут адронизироваться, важен, потому что, как только кварк адронизируется, измерить его спин становится намного сложнее.

Вместо адронизации топ-кварки распадаются, передавая свою энергию менее массивным и более стабильным частицам. Они передают свое вращение продуктам распада, которые исследователи ATLAS могут обнаружить и измерить. Реконструируя спиновые корреляции между парами топ-кварков, ученые могут подтвердить, были ли они запутаны.

Преодоление трудностей

Коллаборация ATLAS столкнулась со многими проблемами, поскольку они перешли от теории к экспериментам.

Самой большой проблемой был учет нейтрино. Топ-кварки распадаются на лептоны — некоторые лептоны, например электроны, легко обнаружить детектору ATLAS. Другие, однако, практически невидимы. Нейтрино, которые могут пройти через всю планету, даже не вступая во взаимодействие с материей, легко покидают детектор ATLAS, не оставляя и следа.

Об их присутствии можно судить по количеству входной и выходной энергии от столкновения. Если энергия пропала, ученые могут приписать ее нейтрино. Но это не идеальное решение, поскольку распадающаяся пара топ-кварков может произвести более одного нейтрино, а полная энергия столкновения измеряется только одним способом.

«Чтобы исправить это, мы используем несколько умных, довольно сложных математических приемов и несколько экспериментальных приемов», — говорит Джеймс Ховарт, преподаватель физики в Университете Глазго и координатор анализа.

Ученые предъявляют строгие требования к столкновениям, чтобы тщательно восстановить движения пар топ-кварков. На решение этой проблемы ушло больше всего времени, поскольку реконструкция имеет решающее значение для обнаружения запутанности.

Вторая проблема заключалась в самом детекторе. При измерении запутанности ученые обратили пристальное внимание на то, как распределялись продукты распада после столкновения. Но им нужно было сделать это быстро, потому что недостатки детектора могут повлиять на эксперимент. «Детектор на самом деле как бы искажает форму интересующего нас распределения», — говорит Йоав Афик, физик из Чикагского университета и координатор анализа.

Чтобы противодействовать искажению, сотрудники ATLAS использовали моделирование, чтобы увидеть, как выглядело столкновение без влияния детектора.

Третья проблема: чтобы экспериментально измерить запутанность, ученым нужен был способ проверить альтернативные гипотезы с использованием смоделированных данных. Способ построения моделирования и тестирование различных сценариев были непростыми.

Исследователи разработали в модели взвешенный метод, который позволил им изменить распределение продуктов распада. При этом они могли бы проверить различные гипотезы, которые в конечном итоге указали бы, существует ли запутанность в системе.

Неожиданная находка

После изнурительных трех лет тестирования и анализа сотрудничество ATLAS пришло к полезному, но загадочному результату. «Мы обнаружили, что данные показывают более сильную запутанность, чем ожидалось при моделировании», — говорят ученые.

Возможно, физики обнаружили внутреннюю разницу между предсказанием и реальностью, которая указывает на непонимание нашей теории квантовой запутанности. Или это может быть признаком того, что в анализе необходимо что-то изменить. Джеймс Ховарт считает, что моделирование может не полностью описать область, в которой происходят столкновения, поэтому моделирование может быть неполным.

Независимо от того, совпадут ли измерения в конечном итоге с предсказаниями, они по-прежнему остаются обнаружением квантовой запутанности при самой высокой энергии и первым измерением запутанности между парой кварков.

«Мы никогда не наблюдали запутанность в такой высокоэнергетической релятивистской системе, как БАК, — говорят ученые, — так что это похоже на открытие совершенно нового мира для квантовой информации».