Οι φυσικοί που εργάζονται στο πείραμα ATLAS στο CERN παρατήρησαν για πρώτη φορά εμπλοκή μεταξύ ζευγών κορυφαίων κουάρκ. Το εύρημα δείχνει ότι η εμπλοκή μπορεί να συμβεί σε ενέργειες μεγαλύτερες από 12 τάξεις μεγέθους υψηλότερες από ό,τι είναι τυπικό για εργαστηριακά πειράματα εμπλοκής. Δείχνουν επίσης ότι οι εγκαταστάσεις σωματιδιακής φυσικής όπως ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC) του CERN μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μελέτη της κβαντικής μηχανικής και των κβαντικών πληροφοριών.
Η εμπλοκή είναι ένα από τα πιο περίεργα χαρακτηριστικά της κβαντικής μηχανικής. Ονομάστηκε «απόκοσμη δράση σε απόσταση» από τον Άλμπερτ Αϊνστάιν, δημιουργεί μια αόρατη σύνδεση μεταξύ δύο αντικειμένων που μοιράζονται μια κοινή κβαντική κατάσταση, έτσι ώστε η μέτρηση της κατάστασης ενός αντικειμένου - το σπιν ενός σωματιδίου, για παράδειγμα - δίνει αμέσως την κατάσταση το άλλο, ανεξάρτητα από την μεταξύ τους απόσταση. Πολλά αντικείμενα έχουν μπλέξει, συμπεριλαμβανομένων φωτονίων, ατόμων και μορίων, καθώς και μεγαλύτερα αντικείμενα όπως τα μακροσκοπικά διαμάντια.
Ωστόσο, οι μετρήσεις της εμπλοκής μεταξύ ενός άλλου δομικού στοιχείου της φύσης – των κουάρκ – παρέμειναν άπιαστες. Αυτό συμβαίνει επειδή ούτε τα κουάρκ άνω και κάτω που αποτελούν τα πρωτόνια και τα νετρόνια (και επομένως αποτελούν το μεγαλύτερο μέρος της ύλης γύρω μας), ούτε τα βαρύτερα ξαδέλφια όπως το κορυφαίο κουάρκ που δημιουργούνται μόνο σε συγκρούσεις υψηλής ενέργειας σε επιταχυντές σωματιδίων, δεν μπορούν ποτέ να γίνουν παρατηρούνται ως ελεύθερα σωματίδια.
Βαριά πράγματα
Παρά αυτές τις δυσκολίες, το κορυφαίο κουάρκ είναι από ορισμένες απόψεις ιδανικός υποψήφιος για τη μέτρηση της εμπλοκής. Έχει σπιν ½ και είναι το βαρύτερο γνωστό θεμελιώδες σωματίδιο, με μάζα περίπου 184 φορές μεγαλύτερη από αυτή του πρωτονίου. Αυτή η τεράστια μάζα το καθιστά εξαιρετικά ασταθές και διασπάται σε περίπου 10-25 δευτερόλεπτα. Το κρίσιμο, όμως, είναι ότι το σπιν του μεταφέρεται στα προϊόντα διάσπασής του, συμπεριλαμβανομένων των λεπτονίων όπως τα ηλεκτρόνια και τα νετρίνα. Αυτή η διατήρηση του σπιν συμβαίνει επειδή άλλες περιοριστικές διεργασίες, όπως η αποσυσχέτιση του σπιν ή ο σχηματισμός αδρονίων (οι δεσμευμένες καταστάσεις των κουάρκ, όπως τα πρωτόνια ή τα νετρόνια) από τα κουάρκ και τα γκλουόνια, χρειάζονται αρκετές τάξεις μεγέθους περισσότερο. Ως αποτέλεσμα, το σπιν του κορυφαίου κουάρκ μπορεί να συναχθεί μετρώντας τις περιστροφές των προϊόντων διάσπασής του.
Οι φυσικοί του ATLAS μελέτησαν ζεύγη κουάρκ κορυφής/αντι-κορυφής που σχηματίζονται όταν τα πρωτόνια επιταχύνονται σε σχετικιστικές ταχύτητες μέσα στον δακτύλιο LHC και συνθλίβονται μεταξύ τους. Αυτό που διαφοροποιεί αυτό το πείραμα από τα προηγούμενα πειράματα κορυφαίων κουάρκ είναι ότι η ομάδα εστίασε σε ζεύγη στο λεγόμενο κατώφλι παραγωγής τους - το σημείο στο οποίο η ενέργεια είναι αρκετή για να παραχθούν ζεύγη κορυφαίων κουάρκ. Σε αυτό το σημείο, τα κορυφαία κουάρκ αναμένεται να είναι στο μέγιστο βαθμό εμπλοκής. Ο βαθμός εμπλοκής μπορεί στη συνέχεια να συναχθεί από τον γωνιακό διαχωρισμό μεταξύ των φορτισμένων λεπτονίων που σχηματίζονται στη σύγκρουση.
Κορυφαία ποιότητα
Αφού έλαβε δεδομένα από συγκρούσεις στα 13 TeV μεταξύ 2015 και 2018, η ομάδα συνέκρινε τους γωνιακούς διαχωρισμούς που καταγράφηκαν στο κατώφλι παραγωγής με παρόμοιες μετρήσεις όταν δεν μπορούσε να αναμένεται εμπλοκή. Αυτό επέτρεψε στην ομάδα να υπολογίσει τον βαθμό εμπλοκής μεταξύ των ζευγών top-quark σε βαθμό που να πληροί το «χρυσό πρότυπο» της σωματιδιακής φυσικής: μια στατιστική σημασία πάνω από το σημάδι 5σ.
Ο Yoav Afik, ένας φυσικός από την ομάδα ανάλυσης ATLAS, ο οποίος είναι επίσης συνδεδεμένος με το Πανεπιστήμιο του Σικάγο στις ΗΠΑ, λέει το αποτέλεσμα, το οποίο ανακοινώθηκε Συνέδριο συνεργασίας ATLAS και δεν έχει ακόμη αξιολογηθεί από ομοτίμους, δείχνει ότι οι επιταχυντές υψηλής ενέργειας όπως ο LHC μπορούν να χρησιμεύσουν ως εργαστήριο για τη μελέτη θεμελιωδών προβλημάτων στην κβαντική μηχανική. Μια πιθανή μελλοντική κατεύθυνση, προσθέτει, θα ήταν η μελέτη άλλων εννοιών κβαντικών πληροφοριών, όπως οι ανισότητες Bell, η κβαντική ασυμφωνία και η κβαντική διεύθυνση, χρησιμοποιώντας κορυφαία κουάρκ. Ένα άλλο μπορεί να είναι η εκτέλεση παρόμοιων μετρήσεων σε άλλα συστήματα, όπως τα μποζόνια Higgs. Μια τελευταία ευκαιρία για διεπιστημονική συνεργασία είναι ότι ορισμένες τεχνικές που προέρχονται από κβαντικές πληροφορίες θα μπορούσαν να είναι χρήσιμες στην αναζήτηση της φυσικής πέρα από το Καθιερωμένο Μοντέλο.
Επιτέλους μετρήθηκε η κβαντική εμπλοκή μεγάλης εμβέλειας
Μάρτιν Μόλντερς, μέλος της ομάδας CMS του CERN που δεν συμμετείχε στην έρευνα ATLAS, την αποκαλεί «πρωτότυπο και όμορφο αποτέλεσμα», προσθέτοντας ότι οι αναλύσεις είναι πολύπλοκες και δεν είναι εύκολο να πραγματοποιηθούν. Προσθέτει ότι η εξαιρετικά σύντομη χρονική κλίμακα και οι αποστάσεις (πολλές φορές μικρότερες από τη διάμετρο ενός πρωτονίου) στις οποίες μετρήθηκαν οι εμπλεκόμενες καταστάσεις κορυφαίου κουάρκ είναι ακριβώς το αντίθετο από τα τυπικά πειράματα κβαντικής εμπλοκής, τα οποία επικεντρώνονται σε μακροπρόθεσμες και μακροπρόθεσμες εμπλοκές . Ο Mulders σημειώνει, ωστόσο, ότι η όψη 5σ του αποτελέσματος έχει πυροδοτήσει κάποιες «υγιείς συζητήσεις» μεταξύ των φυσικών των σωματιδίων, επειδή η μοντελοποίηση της συμπεριφοράς των κορυφαίων ζευγών κουάρκ - ιδιαίτερα κοντά στο κατώφλι - είναι νέα περιοχή και επομένως προκλητική.
- SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
- πηγή: https://physicsworld.com/a/quantum-entanglement-observed-in-top-quarks/
