Výsledok z Veľkého hadrónového urýchľovača otvoril nový pohľad na zložitý svet kvantovej fyziky.
Kvantové častice. Zdroj: iStockphoto.com
Kvantové previazanie je fascinujúcou črtou kvantovej fyziky – teórie veľmi malých vecí. Ak sú dve častice kvantovo previazané, stav prvej častice je zviazaný so stavom tej druhej nezávisle od toho, ako ďaleko od seba častice sú. Tento ťažko mysľou prijateľný fakt, ktorý nemá analógiu v klasickej fyzike, bol pozorovaný v širokej škále systémov a našiel niekoľko dôležitých uplatnení, akými sú kvantová kryptografia a kvantové počítače.
V roku 2022 bola Alainovi Aspectovi, Johnovi F. Clauserovi a Antonovi Zeilingerovi udelená Nobelova cena za fyziku za prelomové experimenty s previazanými fotónmi. Tieto experimenty potvrdili prejavy kvantového previazania, ktoré predpovedal zosnulý teoretik CERN-u John Bell, a prispeli k počiatkom kvantovej informatiky.
Pohľad do vnútra tunela, v ktorom je umiestnený Veľký hadrónový urýchľovač počas odstávky takzvanej Long Shutdown 2 v roku 2019. Zdroj: CERN
Doteraz nesledované
Kvantové previazanie zostávalo viac-menej nepreskúmané pri vysokých energiách dostupných na časticových urýchľovačoch, akým je Large Hadron Collider (LHC). V článku, ktorý bol v septembri publikovaný v Nature, kolaborácia ATLAS opísala, ako po prvý raz a pri doteraz najvyšších energiách úspešne pozorovala kvantové previazanie v LHC, a to medzi fundamentálnymi časticami nazývanými top kvarky. Tento výsledok, prvýkrát ohlásený kolaboráciou ATLAS v septembri 2023 a následne potvrdený dvoma pozorovaniami uskutočnenými kolaboráciou CMS, otvoril nový pohľad na zložitý svet kvantovej fyziky.
„Aj napriek tomu, že časticová fyzika má korene hlboko v kvantovej mechanike, pozorovanie kvantového previazania v novom časticovom systéme a pri oveľa vyššej energii, než bolo doteraz možné, je pozoruhodné,“ povedal hovorca kolaborácie ATLAS Andreas Hoecker. „Pokračujúci prírastok dát dláždi cestu novému vyšetrovaniu tohto fascinujúceho javu a otvára bohatú ponuku ďalšiemu výskumu,“ dodal.
Kvantové častice. Zdroj: iStockphoto.com
Previazanie medzi top kvarkom a jeho antičasticou
Kolektívy kolaborácií ATLAS a CMS pozorovali kvantové previazanie medzi top kvarkom a jeho antičasticou. Tieto pozorovania sú založené na nedávno navrhnutej metóde, ktorá používa top kvarky produkované v LHC ako nový systém štúdia kvantového previazania.
Top kvark je najťažšia známa fundamentálna častica. Za normálnych okolností sa rozpadá na iné častice ešte pred tým, než by mal čas skombinovať sa s ďalšími kvarkami. Preto sa jeho spin a ďalšie kvantové atribúty prenášajú na jeho rozpadové produkty. Fyzici pozorujú vlastnosti rozpadových produktov na odvodenie spinovej orientácie pôvodného top kvarku.
S cieľom pozorovania kvantového previazania medzi top kvarkami vybrali vedci páry top kvarkov z dát z protónovo-protónových zrážok pri energii 13 teraelektrónvoltov, ktoré boli získané v druhom behu LHC medzi rokmi 2015 a 2018. Pozornosť sústredili na páry, v ktorých majú top kvarky malú vzájomnú hybnosť. V takomto prípade sa očakáva silné kvantové previazanie spinov obidvoch kvarkov.
Existencia a stupeň kvantového previazania spinov sa dajú vyvodiť z uhla medzi smermi, do ktorých vyletujú elektricky nabité rozpadové produkty obidvoch kvarkov. Meraním tohto uhla a po korekcii na experimentálne efekty, ktoré by mohli pozmeniť jeho hodnotu, sa kolektívom kolaborácií ATLAS a CMS podarilo pozorovať kvantové previazanie spinu top kvarkov, a to so štatistickou významnosťou väčšou ako päť štandardných odchýlok.
Spinové kvantové previazanie
Vo svojej druhej štúdii sa kolaborácia CMS pozrela na páry top kvarkov, v ktorých mali produkované kvarky veľkú vzájomnú hybnosť. V tejto oblasti pre veľké percento top kvarkových párov platí, že predpovede relatívnych polôh a polčasov rozpadu top kvarkov daného páru vylučujú klasickú výmenu informácie časticami neprekračujúcimi rýchlosť svetla. Aj v tomto prípade pozoroval experiment CMS spinové kvantové previazanie medzi top kvarkami.
„Merania kvantového previazania a ďalších kvantových konceptov v novom časticovom systéme a pri energii nad doteraz dostupnými hodnotami poskytujú nové spôsoby testovania štandardného modelu časticovej fyziky, ako aj nové cesty hľadania prejavov novej fyziky za štandardným modelom,“ uvádza Andreas Hoecker.
Zdroj: TS Svet častíc
(JM)
