1Dipartimento di Fisica Sperimentale, CERN, 1211 Ginevra, Svizzera
2Departamento de Física de Materiales, Universidad Complutense de Madrid, E-28040 Madrid, Spagna
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Astratto
I quark top rappresentano sistemi unici ad alta energia poiché le loro correlazioni di spin possono essere misurate, consentendo così di studiare aspetti fondamentali della meccanica quantistica con qubit in collisori ad alta energia. Presentiamo qui il quadro generale dello stato quantico di una coppia di quark top-antitop ($tbar{t}$) prodotta attraverso la cromodinamica quantistica (QCD) in un collisore ad alta energia. Sosteniamo che, in generale, lo stato quantico totale che può essere sondato in un collisore è dato in termini di matrice di densità di spin di produzione, che dà necessariamente origine a uno stato misto. Calcoliamo lo stato quantico di una coppia $tbar{t}$ prodotta dai processi QCD più elementari, trovando la presenza di entanglement e violazione di CHSH in diverse regioni dello spazio delle fasi. Mostriamo che qualsiasi produzione adronica realistica di una coppia $tbar{t}$ è una miscela statistica di questi processi QCD elementari. Ci concentriamo sui casi sperimentalmente rilevanti di collisioni protone-protone e protone-antiprotone, eseguiti all'LHC e al Tevatron, analizzando la dipendenza dello stato quantico dall'energia delle collisioni. Forniamo osservabili sperimentali per le firme di entanglement e violazione di CHSH. A LHC, queste segnature sono date dalla misura di un singolo osservabile, che nel caso di entanglement rappresenta la violazione di una disuguaglianza di Cauchy-Schwarz. Estendiamo la validità del protocollo di tomografia quantistica per la coppia $tbar{t}$ proposta in letteratura a stati quantistici più generali e per qualsiasi meccanismo di produzione. Infine, sosteniamo che una violazione di CHSH misurata in un collisore è solo una forma debole di violazione del teorema di Bell, che contiene necessariamente una serie di scappatoie.
Riepilogo popolare
Qui presentiamo il formalismo generale dello stato quantistico di una coppia $tbar{t}$, una realizzazione unica ad alta energia di uno stato a due qubit. Sorprendentemente, una volta calcolate le probabilità e le matrici di densità di ciascun processo di produzione $tbar{t}$ dalla teoria delle alte energie, ci rimane semplicemente un problema tipico nell'informazione quantistica che coinvolge la miscela statistica di stati quantistici a due qubit. Questa importante osservazione motiva la presentazione pedagogica dell'articolo, pienamente sviluppata all'interno di un vero e proprio approccio informatico quantistico, volto a renderlo facilmente comprensibile dalla comunità fisica generale.
Discutiamo lo studio sperimentale di concetti di informazione quantistica come entanglement, disuguaglianza CHSH o tomografia quantistica con quark top. È interessante notare che sia l'entanglement che la violazione di CHSH possono essere rilevati al Large Hadron Collider (LHC) dalla misurazione di un singolo osservabile, con elevata significatività statistica nel caso di entanglement.
L'implementazione di queste misurazioni all'LHC apre la strada allo studio dell'informazione quantistica anche ai collisori ad alta energia. A causa del loro comportamento genuinamente relativistico, del carattere esotico delle simmetrie e delle interazioni coinvolte, nonché della loro natura fondamentale, i collisori ad alta energia sono sistemi estremamente attraenti per questo tipo di studi. Ad esempio, il rilevamento proposto dell'entanglement rappresenterà il primo rilevamento in assoluto di entanglement tra una coppia di quark e l'osservazione dell'entanglement a più alta energia finora raggiunta.
► dati BibTeX
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Citato da
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[2] Podist Kurashvili e Levan Chotorlishvili, “Discord quantistica e misure entropiche di due fermioni relativistici”, arXiv: 2207.12963.
[3] Rafael Aoude, Eric Madge, Fabio Maltoni e Luca Mantani, "Tomografia quantistica SMEFT: produzione di coppie di quark superiori all'LHC", Revisione fisica D 106 5, 055007 (2022).
[4] Marco Fabbrichesi, Roberto Floreanini, ed Emidio Gabrielli, “Constraining new physics in entangled two-qubit systems: top-quark, tau-lepton and photon pairs”, arXiv: 2208.11723.
[5] Yoav Afik e Juan Ramón Muñoz de Nova, “Quantum discord and steering in top quarks at the LHC”, arXiv: 2209.03969.
[6] JA Aguilar-Saavedra, A. Bernal, JA Casas e JM Moreno, "Testing entanglement and Bell inequalities in $H to ZZ$", arXiv: 2209.13441.
Le citazioni sopra sono di ANNUNCI SAO / NASA (ultimo aggiornamento riuscito 2022-09-29 11:58:29). L'elenco potrebbe essere incompleto poiché non tutti gli editori forniscono dati di citazione adeguati e completi.
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