У Великому адронному колайдері CERN зафіксували щось по-справжньому «моторошне». Фізики виявили перші переконливі ознаки квантової заплутаності між парою бозонів Z, що народжуються під час розпаду бозона Гіґґса. Про це повідомляє ScienceAlert.
Йдеться про явище, яке Альберт Айнштайн колись назвав «моторошною дією на відстані»: стани двох частинок виявляються настільки пов’язаними, що описати кожну окремо вже неможливо. У новому аналізі даних колайдера вчені побачили, що спіни двох бозонів Z, які виникають із розпаду бозона Гіґґса, виявилися надзвичайно сильно заплутаними.
«Спіни двох бозонів Z надзвичайно заплутані, значно сильніше, ніж у випадку топ-кварк – антикварк, який вимірювали раніше», — пояснив фізик Хуан Антоніо Аґілар-Сааведра (Juan Antonio Aguilar-Saavedra) з Інституту теоретичної фізики в Іспанії, коментуючи результати в іспаномовному відео.
Що таке квантова заплутаність і чим особливі бозони Z
Квантова заплутаність виникає, коли властивості двох частинок стають настільки взаємопов’язаними, що вимірювання однієї миттєво дає інформацію про іншу, навіть якщо вони розділені великими відстанями. Саме ця нелогічна на перший погляд риса квантової механіки й викликала скепсис Айнштайна.
Ентangled атоми та фотони вчені вміють створювати й досліджувати вже десятиліттями, а останніми роками намагаються використати їх для квантового зв’язку та обчислень. У 2024 році колаборація ATLAS вперше повідомила про спостереження заплутаності між парами топ-кварків, створених у зіткненнях на LHC.
Бозони Z поводяться інакше, ніж топ-кварки. Якщо топ-кварк має дві можливі орієнтації спіну, то бозон Z — три. У термінах квантової інформації це означає, що бозон Z є «к’ютрітом» (qutrit), а не двостановим «к’юбітом» (qubit). «І це ще одна важлива відмінність, адже вперше заплутаність виміряно для елементарних частинок, які є к’ютрітами», — наголосив Аґілар-Сааведра.
Як у грі з’являється бозон Гіґґса і віртуальні частинки
Бозон Гіґґса, що утворюється під час зіткнення протонів на великих енергіях, виявився зручним шляхом до пари заплутаних бозонів Z. Оскільки власний спін бозона Гіґґса дорівнює нулю, два бозони Z, що виникають при його розпаді, не можуть мати довільну комбінацію спінів: їхні спіни мають поєднуватися так, щоб у сумі зберігався нульовий спін початкової частинки.
Квантова механіка дозволяє одразу кільком таким комбінаціям існувати одночасно як спільному стану двох бозонів Z. Саме цей спільний стан і може робити їх заплутаними.
Однак тут є енергетичний «гачок». Маса бозона Гіґґса становить близько 125 ГеВ, тоді як маса бозона Z — приблизно 91 ГеВ. Енергії одного Гіґґса просто не вистачає, щоб створити одразу два «звичайні» бозони Z. Тому принаймні один із них має бути віртуальним.
Віртуальні частинки — одні з найхимерніших об’єктів у квантовій теорії. Вони короткочасно виникають під час взаємодій у колайдері, але не можуть бути зафіксовані як вільні частинки, на відміну від своїх «реальних» аналогів. Це породжує запитання: якщо один із бозонів Z у парі є віртуальним, чи може він усе одно брати участь у такому суто квантовому явищі, як заплутаність?
Новий результат свідчить, що так.
Як виміряти спін частинки, що живе 10⁻²⁵ секунди
Ще одна проблема полягає в тому, що бозон Z живе всього близько 3 × 10⁻²⁵ секунди перед розпадом. Навіть «реальний» Z не існує достатньо довго, щоб безпосередньо виміряти його спін.
Проте він залишає по собі сліди. У розпадах, які аналізувала колаборація, кожен бозон Z породжує дві заряджені частинки — лептони: або електрони, або їхніх важчих «родичів» мюонів. У підсумку фізики отримують чотири частинки, траєкторії яких у детекторі можна точно відстежити.
Саме напрями руху цих чотирьох лептонів містять інформацію про спіни бозонів Z, що їх породили. Дослідники змогли «прокрутити плівку назад» — за траєкторіями лептонів реконструювати спінові стани бозонів Z у момент їхнього розпаду. На практиці це надзвичайно складне завдання.
Складність посилюється ще й тим, що сам ланцюжок розпадів «Гіґґс → два Z → чотири лептони» є дуже рідкісним. Навіть маючи роки даних зіткнень частинок, дослідники отримали лише близько 400 подій такого типу. Але цього виявилося достатньо.
Статистичні докази заплутаності та «віртуальна качка»
Маючи реконструйовані спіни бозонів Z, команда шукала в даних характерний «відбиток» заплутаності — певний статистичний візерунок у розподілах напрямів руху лептонів. У даних детектора ATLAS такий візерунок виявили.
Результат показав, що експериментальні дані значно краще узгоджуються зі сценарієм заплутаного стану, ніж із варіантом без заплутаності. У найчутливішому тесті дані віддали перевагу заплутаному стану з статистичною значущістю 4,7 сигма — дуже близько до традиційного для фізики частинок порога відкриття у 5 сигма.
Формально це ще не «відкриття», але вже дуже сильний доказ того, що два бозони Z справді були квантово заплутаними, навіть коли один із них — віртуальний.
Експеримент водночас загострює давню дискусію про природу віртуальних частинок. На відміну від звичайних частинок, їх не можна безпосередньо спостерігати; частина фізиків розглядає їх радше як математичний інструмент для опису взаємодій, а не як «реальні» об’єкти.
У цьому випадку віртуальний бозон Z поводиться напрочуд «по-частинковому»: він несе спінову інформацію, яка може заплутуватися зі спіном іншого Z. «Можна запитати: чи існують віртуальні частинки, чи це конструкція нашого розуму, яку ми використовуємо для розрахунків?» — зауважує Аґілар-Сааведра. Він підкреслює, що результат не розв’язує це філософське питання, але може «трохи пролити світло на те, чи є віртуальні частинки частинками чи ні».
«Якщо щось ходить як качка і крякає як качка, то, мабуть, ми дивимося на качку, — додає він. — У цьому випадку — на віртуальну качку».
Робота з результатами опублікована в журналі Physical Review Letters. Для тих, хто хоче глибше зануритися в тему, доступне пояснювальне відео на YouTube, де обговорюються деталі аналізу та його наслідки для квантової теорії поля.