W znaczącym kroku naprzód dla fizyki cząstek, naukowcom udało się po raz pierwszy zaobserwować splątanie kwantowe między kwarkami. Odkrycie to, dokonane przez zespół pracujący w CERN w europejskim laboratorium fizyki cząstek niedaleko Genewy, może otworzyć nowe możliwości badań kwantowych w obszarze cząstek o wysokich energiach.
Splątanie kwantowe, które od dziesięcioleci badane było w kontekście cząstek takich jak elektrony i fotony, oznacza stan, w którym dwie cząstki tracą swoją indywidualność i nie mogą być opisywane osobno. Zjawisko to, chociaż dobrze znane w środowiskach o niskiej energii, takich jak komputery kwantowe, okazało się wyjątkowo trudne do zaobserwowania w wysokoenergetycznych warunkach Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC). Zderzenia cząstek, takie jak protony, są bowiem niezwykle „głośne”, co utrudnia precyzyjne pomiary splątania.
Przełomowy eksperyment w LHC
Aby dokonać tego przełomowego odkrycia, fizycy z detektora ATLAS przeanalizowali miliony par kwarków górnych i antygórnych – najcięższych znanych cząstek podstawowych. To właśnie w tych parach udało się znaleźć statystycznie przekonujące dowody na splątanie. Wyniki eksperymentu zostały szczegółowo opisane we wrześniowym wydaniu czasopisma Nature. Niezależnie, drugi zespół badawczy pracujący nad detektorem CMS potwierdził podobne wyniki, które opublikowano w czerwcu na serwerze arXiv.
“To bardzo interesujące odkrycie, ponieważ po raz pierwszy możemy badać splątanie w warunkach najwyższych energii osiąganych w LHC” – mówi Giulia Negro, fizyk cząstek z Uniwersytetu Purdue, zaangażowana w badania CMS. Choć standardowy model fizyki cząstek przewiduje istnienie splątania, dopiero teraz udało się je bezpośrednio zmierzyć w tak trudnych warunkach.
Trudności i sukces eksperymentalny
Sam pomiar splątania w zderzaczu LHC był wyjątkowym wyzwaniem. Pary kwarków górnych, które powstają w wyniku zderzenia protonów, żyją niezwykle krótko – zaledwie 10^-25 sekundy, po czym rozpadają się na inne cząstki. Naukowcy musieli opracować specjalne metody, aby zmierzyć ich kwantowe właściwości, takie jak spin, zanim ulegną one hadronizacji – procesowi, w którym kwarki tworzą nowe cząstki, jak protony i neutrony.
Jak wyjaśnia James Howarth z Uniwersytetu w Glasgow, sukces eksperymentu zależał od bardzo krótkiego czasu życia kwarków górnych, które rozpadają się zbyt szybko, aby doszło do mieszania spinów. Dzięki temu badacze mogli dokładnie zmierzyć spin produktów rozpadu i wywnioskować właściwości kwarków macierzystych. Wykorzystali parametr D, by opisać stopień korelacji spinów – jeżeli D jest mniejsze niż -1/3, oznacza to, że kwarki są splątane. Zarówno eksperyment ATLAS, jak i CMS osiągnęły wynik poniżej tej granicy, potwierdzając splątanie.
Perspektywy na przyszłość
Obserwacja splątania kwantowego przy wysokich energiach ma potencjał wpłynięcia na dalsze badania nad fizyką kwarków górnych i może prowadzić do nowych eksperymentów w zakresie cząstek fundamentalnych. Naukowcy sugerują, że podobne badania mogłyby objąć inne cząstki, takie jak bozon Higgsa, a nawet umożliwić przeprowadzenie testu Bella, bardziej rygorystycznej próby splątania kwantowego.
Eksperymenty te mogą przyczynić się do głębszego zrozumienia mechaniki kwantowej na poziomie fundamentalnym. Jak zauważa Yoav Afik, fizyk z Uniwersytetu w Chicago, to odkrycie może zmienić sposób, w jaki fizycy podchodzą do badań kwantowych przy wysokich energiach. Na początku trudno było przekonać społeczność naukową, że warto inwestować czas w badanie splątania w tych warunkach, ale teraz staje się to nowym obszarem badań.
Odkrycie splątania kwantowego w kwarkach górnych to nie tylko sukces eksperymentalny, ale również szansa na rozwój przyszłych badań w dziedzinie fizyki cząstek o najwyższych energiach.
