Kvanteforviklinger observert i toppkvarker – Physics World

Kvanteforviklinger observert i toppkvarker – Physics World

Tidsstempel: 11. oktober 2023 7:00

En kunstners inntrykk av sammenfiltring av toppkvark, som viser glødende tilkoblede partikler mot bakgrunnen av ATLAS-detektoren ved CERN
Toppresultat: En kunstners inntrykk av toppkvarkforviklinger. Linjen mellom partiklene understreker at topp-kvark-paret ikke kan separeres, som er produsert av LHC-kollisjoner og registrert av ATLAS. (Med tillatelse: Daniel Dominguez/CERN)

Fysikere som jobber med ATLAS-eksperimentet ved CERN har observert sammenfiltring mellom par av toppkvarker for første gang. Funnet viser at sammenfiltring kan oppstå ved energier som er mer enn 12 størrelsesordener høyere enn det som er typisk for laboratorieforsøk. De viser også at partikkelfysikkanlegg som CERNs Large Hadron Collider (LHC) kan brukes til å studere kvantemekanikk og kvanteinformasjon.

Entanglement er en av kvantemekanikkens merkeligste egenskaper. Kalt "skummel handling på avstand" av Albert Einstein, skaper den en usynlig forbindelse mellom to objekter som deler en felles kvantetilstand, slik at måling av tilstanden til ett objekt - for eksempel spinnet til en partikkel - umiddelbart gir tilstanden til den andre, uavhengig av avstanden mellom dem. Mange objekter har blitt viklet inn, inkludert fotoner, atomer og molekyler samt større objekter som makroskopiske diamanter.

Målinger av sammenfiltring mellom en annen av naturens byggesteiner – kvarker – har imidlertid forblitt unnvikende. Dette er fordi verken opp- og nedkvarkene som utgjør protoner og nøytroner (og derfor utgjør det meste av stoffet rundt oss), eller tyngre fettere som toppkvarken som kun genereres i høyenergikollisjoner i partikkelakseleratorer, noen gang kan bli observert som frie partikler.

Tunge greier

Til tross for disse vanskelighetene er toppkvarken på noen måter en ideell kandidat for å måle sammenfiltring. Den har et spinn på ½ og er den tyngste kjente fundamentale partikkelen, med en masse som er omtrent 184 ganger større enn protonet. Denne enorme massen gjør den svært ustabil, og den forfaller innen omtrent 10-25 sekunder. Det er imidlertid avgjørende at spinnet overføres til dets forfallsprodukter, inkludert leptoner som elektroner og nøytrinoer. Denne bevaringen av spinn skjer fordi andre begrensende prosesser, som spinndekorrelasjon eller dannelsen av hadroner (de bundne tilstandene til kvarker, som protoner eller nøytroner) fra kvarker og gluoner, tar flere størrelsesordener lenger. Som et resultat kan toppkvarkens spinn utledes ved å måle spinnene til dens forfallsprodukter.

ATLAS-fysikerne studerte topp/anti-topp kvarkpar som dannes når protoner akselereres til relativistiske hastigheter inne i LHC-ringen og knuses i hverandre. Det som skiller dette eksperimentet fra tidligere topp-kvark-eksperimenter er at teamet fokuserte på par ved deres såkalte produksjonsterskel – punktet der energien akkurat er tilstrekkelig til å produsere topp-kvark-par. På dette tidspunktet forventes toppkvarkene å være maksimalt sammenfiltret. Graden av sammenfiltring kan da utledes fra vinkelseparasjonen mellom de ladede leptonene som dannes i kollisjonen.

Topp kvalitet

Etter å ha innhentet data fra kollisjoner ved 13 TeV mellom 2015 og 2018, sammenlignet teamet vinkelseparasjoner registrert ved produksjonsterskelen med lignende målinger når ingen sammenfiltring kunne forventes. Dette gjorde det mulig for teamet å beregne graden av sammenfiltring mellom topp-kvark-parene i en grad som oppfyller "gullstandarden" for partikkelfysikk: en statistisk signifikans over 5σ-merket.

Yoav Afik, en fysiker fra ATLAS-analyseteamet som også er tilknyttet University of Chicago i USA, sier resultatet, som ble annonsert en ATLAS samarbeidskonferanse og har ennå ikke blitt fagfellevurdert, viser at høyenergikollidere som LHC kan tjene som et laboratorium for å studere grunnleggende problemer innen kvantemekanikk. En mulig fremtidig retning, legger han til, ville være å studere andre kvanteinformasjonskonsepter, som Bell-ulikheter, kvantediscord og kvantestyring, ved å bruke toppkvarker. En annen kan være å utføre lignende målinger i andre systemer, for eksempel Higgs bosoner. En siste mulighet for tverrfaglig samarbeid er at noen teknikker avledet fra kvanteinformasjon kan være nyttige for å søke etter fysikk utover standardmodellen.

Martijn Mulders, et medlem av CERNs CMS-team som ikke var involvert i ATLAS-forskningen, kaller det et "originalt og vakkert resultat", og legger til at analysene er komplekse og ikke enkle å utføre. Han legger til at den ekstremt korte tidsskalaen og avstandene (mange ganger mindre enn diameteren til et proton) som de sammenfiltrede toppkvarktilstandene ble målt over, er det nøyaktige motsatte av typiske kvanteforviklingseksperimenter, som fokuserer på langdistanse- og langtidsforviklinger. . Mulders bemerker imidlertid at 5σ-aspektet av resultatet har utløst noen "sunne diskusjoner" blant partikkelfysikere fordi modellering av oppførselen til toppkvarkepar – spesielt nær terskel – er nytt territorium og derfor utfordrende.

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden