הסתבכות קוונטית שנצפתה בקווארקים מובילים - עולם הפיזיקה

פיזיקאים שעבדו על ניסוי ATLAS ב-CERN צפו בהסתבכות בין זוגות של קווארקים עליונים בפעם הראשונה. הממצא מדגים שהסתבכות יכולה להתרחש באנרגיות הגבוהות ביותר מ-12 סדרי גודל ממה שאופייני לניסויי הסתבכות במעבדה. הם גם מראים שמתקנים-פיזיקת חלקיקים כמו מאיץ ההדרון הגדול (LHC) של CERN יכולים לשמש ללימוד מכניקת הקוונטים ומידע קוונטי.

הסתבכות היא אחת התכונות המוזרות ביותר של מכניקת הקוונטים. המכונה "פעולה מפחידה מרחוק" על ידי אלברט איינשטיין, היא יוצרת קשר בלתי נראה בין שני עצמים החולקים מצב קוונטי משותף, כך שמדידת מצבו של עצם אחד - ספין של חלקיק, למשל - נותנת מיד את המצב של השני, ללא קשר למרחק ביניהם. עצמים רבים הסתבכו, כולל פוטונים, אטומים ומולקולות וכן עצמים גדולים יותר כמו יהלומים מקרוסקופיים.

עם זאת, מדידות של הסתבכות בין אבני בניין אחרות של הטבע - קווארקים - נותרו חמקמקות. הסיבה לכך היא שלא הקווארקים למעלה ולמטה המרכיבים את הפרוטונים והנייטרונים (ולכן מהווים את רוב החומר סביבנו), וגם לא בני דודים כבדים יותר כמו הקווארק העליון שנוצרים רק בהתנגשויות באנרגיה גבוהה במאיצי חלקיקים. נצפה כחלקיקים חופשיים.

דברים כבדים

למרות הקשיים הללו, הקווארק העליון הוא מבחינות מסוימות מועמד אידיאלי למדידת הסתבכות. יש לו ספין של ½ והוא החלקיק הבסיסי הכבד ביותר הידוע, עם מסה בערך פי 184 מזו של הפרוטון. המסה העצומה הזו הופכת אותו מאוד לא יציב, והוא מתפרק תוך כ-10^-25 שניות. עם זאת, באופן מכריע, הספין שלו מועבר לתוצרי הריקבון שלו, כולל הלפטונים כמו אלקטרונים וניטרינו. שימור זה של ספין מתרחש מכיוון שתהליכים מגבילים אחרים, כגון דקורלציה של ספין או היווצרות האדרונים (המצבים הקשורים של קווארקים, כגון פרוטונים או נויטרונים) מקווארקים וגלואונים, לוקחים יותר מספר סדרי גודל. כתוצאה מכך, ניתן להסיק את הספין של הקווארק העליון על ידי מדידת הספינים של תוצרי הריקבון שלו.

הפיזיקאים של ATLAS חקרו זוגות קווארקים עליונים/אנטי-טופים שנוצרים כאשר פרוטונים מואצים למהירויות רלטיביסטיות בתוך טבעת ה-LHC ומתנפצים זה בזה. מה שמייחד את הניסוי הזה מניסויים קודמים של קווארק עליון הוא שהצוות התמקד בזוגות במה שנקרא סף הייצור שלהם - הנקודה שבה האנרגיה מספיקה בדיוק כדי לייצר זוגות קווארקים עליון. בשלב זה, הקווארקים העליונים צפויים להסתבך בצורה מקסימלית. לאחר מכן ניתן להסיק את מידת ההסתבכות מההפרדה הזוויתית בין הלפטונים הטעונים שנוצרים בהתנגשות.

איכות למעלה

לאחר השגת נתונים מהתנגשויות ב-13 TeV בין 2015 ל-2018, הצוות השווה הפרדות זוויתיות שנרשמו בסף הייצור עם מדידות דומות כאשר לא ניתן היה לצפות להסתבכות. זה איפשר לצוות לחשב את מידת ההסתבכות בין זוגות הקווארקים העליונים במידה העומדת ב"תקן הזהב" של פיזיקת החלקיקים: מובהקות סטטיסטית מעל לסימן 5σ.

יואב אפיק, פיזיקאי מצוות הניתוח של ATLAS, המזוהה גם עם אוניברסיטת שיקגו בארה"ב, אומר כי התוצאה שהוכרזה כנס שיתוף פעולה של ATLAS ועדיין לא זכה לביקורת עמיתים, מראה שמתנגדי אנרגיה גבוהה כמו ה-LHC יכולים לשמש מעבדה לחקר בעיות יסוד במכניקת הקוונטים. כיוון עתידי אפשרי אחד, הוא מוסיף, יהיה לימוד מושגי מידע קוונטי אחרים, כמו אי-שוויון בל, אי-שוויון קוונטי והיגוי קוונטי, באמצעות קווארקים מובילים. אחר עשוי להיות ביצוע מדידות דומות במערכות אחרות, כגון בוזונים של היגס. הזדמנות אחרונה לשיתוף פעולה בין-תחומי היא שכמה טכניקות הנגזרות ממידע קוונטי יכולות להיות מועילות בחיפוש אחר פיזיקה מעבר למודל הסטנדרטי.

הסתבכות קוונטית לטווח ארוך נמדדה סוף סוף

מרטין מולדרס, חבר בצוות ה-CMS של CERN שלא היה מעורב במחקר ATLAS, מכנה זאת "תוצאה מקורית ויפה", ומוסיף שהניתוחים מורכבים ולא קלים לביצוע. הוא מוסיף כי טווח הזמן והמרחקים הקצרים ביותר (קטנים פי כמה מקוטר של פרוטון) שעליהם נמדדו מצבי הקווארק העליון המסובך הם ההיפך המדויק מניסויי הסתבכות קוונטיים טיפוסיים, המתמקדים בהסתבכות למרחקים ארוכים ולטווח ארוך. . עם זאת, מאלדרס מציין כי היבט ה-5σ של התוצאה עורר כמה "דיונים בריאים" בקרב פיזיקאים של חלקיקים, משום שמודל התנהגות של זוגות קווארקים עליונים - במיוחד קרוב לסף - הוא טריטוריה חדשה ולכן מאתגר.

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
• PlatoESG. פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
• PlatoHealth. מודיעין ביוטכנולוגיה וניסויים קליניים. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/quantum-entanglement-observed-in-top-quarks/