Фізики отримали потужні свідчення того, що важкі й дуже короткоживучі бозони Z можуть перебувати у квантовій заплутаності під час розпаду бозона Гіґґса на Великому адронному колайдері CERN. Це означає, що «моторошна дія на відстані», як Альберт Ейнштейн колись назвав заплутаність, зберігається навіть за одних із найекстремальніших умов, які вдається створити в лабораторії. Про це повідомляє команда Оксфордського університету, на яку посилається ScienceDaily.
У роботі, виконаній у співпраці з експериментом ATLAS на Великому адронному колайдері (LHC) поблизу Женеви, дослідники показали, що квантова заплутаність може тривати навіть серед одних із найважчих елементарних частинок, які до того ж існують мізерну частку секунди. Результати опубліковано в журналі Physical Review Letters.
Що таке квантова заплутаність і чому її важко дослідити
Квантова заплутаність виникає, коли дві частинки пов’язані так, що вимірювання однієї миттєво дає інформацію про іншу, навіть якщо вони віддалені одна від одної. Цей зв’язок є однією з найпарадоксальніших рис квантової механіки й десятиліттями змушував фізиків переосмислювати уявлення про реальність.
До цього часу заплутаність надійно спостерігали переважно в системах з фотонами, електронами або йонами, які можна досить довго утримувати та контролювати. Саме на таких системах побудовані багато сучасних квантових технологій — зокрема квантові комп’ютери, надзахищені лінії зв’язку та чутливі сенсори. У квантових обчисленнях заплутаність дозволяє керувати одразу кількома кубітами як єдиним цілим, завдяки чому машина може паралельно виконувати багато обчислень.
Менш очевидно було, чи здатен цей тонкий квантовий ефект вижити в умовах надвисоких енергій та руйнівних зіткнень частинок, які відбуваються в колайдерах на кшталт LHC.
Як шукали заплутаність у розпадах бозона Гіґґса
Щоб перевірити це, міжнародна команда фізиків проаналізувала зіткнення протонів на LHC, де частинки розганяються до швидкостей, близьких до 99,99% швидкості світла, а енергія зіткнень сягає 13 трильйонів електронвольт. За таких умов утворюються бозони Гіґґса, відкриті в 2012 році.
Бозон Гіґґса може короткочасно розпастися на пару бозонів Z. Самі ж бозони Z майже миттєво далі розпадаються на пари електронів або мюонів. В експерименті ATLAS вчені зосередилися саме на цих ланцюжках розпаду Гіґґса → Z + Z → (електрони або мюони).
Хоча бозони Z «зникають» практично відразу після народження, детектор ATLAS детально реєструє електрони та мюони, на які вони розпадаються. Проаналізувавши кути, під якими вилітають ці частинки, дослідники реконструювали спіни початкових бозонів Z і перевірили, чи демонструють вони кореляції, характерні для квантової заплутаності.
Аналіз показав сильні ознаки того, що пари бозонів Z справді перебували у заплутаному стані. Це одна з найвисокоенергетичніших експериментальних перевірок квантової заплутаності, проведених на сьогодні.
Від тонких фотонів до важких бозонів
Співавтор дослідження, професор Алан Барр (Alan Barr) з кафедри фізики Оксфордського університету був одним із перших, хто запропонував використовувати колайдери для вивчення заплутаності за енергій, які набагато перевищують масштаби традиційних квантових експериментів. Він брав участь у створенні Великого адронного колайдера і бачив у ньому не лише інструмент для пошуку нових частинок, а й засіб для перевірки фундаментальних принципів квантової теорії.
Ідеї Барра вже надихнули експеримент ATLAS 2023 року, коли було продемонстровано заплутаність між парами топ-кварків — найважчими відомими елементарними частинками. Новий результат із бозонами Z підтверджує, що заплутаність не обмежується легкими або довгоживучими квантовими системами.
Професор підкреслює, що ми звикли уявляти заплутаність як щось крихке, притаманне лабораторним дослідам з окремими фотонами. Виявити її «живою й здоровою» серед настільки масивних і миттєво зникаючих частинок, утворених у надзвичайно енергійних зіткненнях, показує, наскільки фундаментальним і стійким є цей квантовий ефект. Ті ж дивні правила квантової механіки, на яких одного дня можуть працювати квантові комп’ютери, діють усюди в природі — навіть у найенергійніших процесах у LHC.
Квантова інформація зустрічається з фізикою високих енергій
Ця робота є частиною ширшого напряму, що поєднує ідеї квантової інформатики — галузі, на якій засновані квантові обчислення, — з фізикою частинок високих енергій. Застосовуючи концепції й математичні інструменти, розроблені для квантових систем, до гігантських масивів даних з колайдерів, дослідники розраховують розробити більш чутливі методи пошуку тонких закономірностей.
Такі підходи в майбутньому можуть допомогти виявити ефекти, які не вписуються в нинішню Стандартну модель, і натякнути на нову фізику, що лежить за межами існуючих теорій.
В Оксфордському університеті професор Барр очолює великий міждисциплінарний проєкт, присвячений фундаментальним засадам квантової механіки на високих енергіях. Команда вивчає квантову поведінку на надмалих масштабах і великих енергіях та паралельно аналізує філософські наслідки таких експериментів, зокрема те, що вони можуть розповісти про глибинну природу реальності.
Співкерівник проєкту, професор філософії Кріс Тімпсон (Chris Timpson), наголошує, що заплутаність — одночасно найперспективніший і найбільш загадковий аспект квантової реальності, а її фіксація в колайдерних експериментах відкриває новий фронтир у дослідженні основ квантової механіки.
Майбутні, ще глибші квантові тести на LHC
Вчені з Оксфорда також беруть участь в оновленні детектора ATLAS. Разом з майбутньою високолюмінозною версією Великого адронного колайдера це має забезпечити набагато більші обсяги даних і нові можливості для дослідження квантових явищ за екстремальних енергій.
Більша статистика дозволить застосовувати ще складніші методи квантової інформатики для аналізу подій у колайдері та підвищити чутливість пошуків раніше невідомих ефектів. Професорка Даніела Бортолетто (Daniela Bortoletto), координаторка робіт у Великій Британії зі створення модулів оновленої піксельної системи ATLAS, підкреслює, що ці вимірювання демонструють наукову потугу колаборації ATLAS і унікальні можливості LHC.
За її словами, дослідники Оксфорда відіграли провідну роль у розробці нових підходів до вивчення квантових явищ на найвищих енергіях і є частиною міжнародних зусиль, які відкривають нові способи дослідження фундаментальних законів природи.
Робота має назву «Measurements of Z-boson pair entanglement in decays of Higgs bosons at the ATLAS experiment» і опублікована в журналі Physical Review Letters.