Физики Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН) обнаружили, что квантовая запутанность (связь между частицами, при которой измерение одной мгновенно даёт информацию о другой) может сохраняться даже у тяжёлых и недолговечных частиц, рождающихся при экстремальных столкновениях. Об этом сообщает SciTechDaily. Речь идёт о Z-бозонах — массивных элементарных частицах, которые распадаются практически сразу после возникновения.
Международная группа исследователей, включая физиков Оксфордского университета, получила убедительные доказательства запутанности пар Z-бозонов в эксперименте ATLAS на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРН близ Женевы. Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters. Это одно из самых высокоэнергетических подтверждений запутанности, когда-либо зафиксированных, и оно распространяет изучение этого явления на частицы, существующие лишь мгновение в экстремальных условиях.
Соавтор исследования профессор Алан Барр из физического факультета Оксфорда отметил: «Мы привыкли считать запутанность чем-то хрупким, наблюдаемым в лабораторных экспериментах с одиночными фотонами. То, что она сохраняется среди таких тяжёлых и короткоживущих частиц, как Z-бозоны, рождённых в самых violent (жестоких, экстремальных) столкновениях, которые мы можем создать на Земле, показывает, насколько фундаментален и устойчив этот квантовый эффект. Это напоминание, что те же странные правила квантовой механики, которые однажды могут питать квантовые компьютеры, работают повсюду в природе, даже при экстремальных энергиях Большого адронного коллайдера».
В данном исследовании Z-бозоны возникали при распаде бозонов Хиггса — частиц, открытых на БАК в 2012 году. Чтобы получить бозоны Хиггса, коллайдер сталкивает протоны, движущиеся со скоростью 99,99% от скорости света, с энергией столкновения 13 триллионов электронвольт. Учёные отслеживали процесс распада, в котором бозон Хиггса порождает два Z-бозона, каждый из которых затем распадается на пару электронов или мюонов (частиц, похожих на электроны, но тяжелее). Хотя сами Z-бозоны исчезают почти мгновенно, детектор ATLAS способен точно отследить эти более долгоживущие продукты их распада.
Углы, под которыми вылетают электроны и мюоны, несут информацию о спине исходных Z-бозонов — квантовом свойстве, связанном с моментом импульса. Восстанавливая эти углы, команда могла определить спины и проверить, связаны ли они запутанностью. Это позволило исследователям изучить квантовую связь между частицами, которые уже исчезли. Ранее запутанность демонстрировали на фотонах, электронах и захваченных ионах. Альберт Эйнштейн называл её «жутким дальнодействием», но проверка этого эффекта на массивных быстрораспадающихся частицах требует иного экспериментального подхода. Барр, участвовавший в создании БАК, одним из первых предложил использовать коллайдеры для изучения запутанности при энергиях, далеко превосходящих прежние тесты.
Эти эксперименты также опираются на квантовую информатику — область, стоящую за квантовыми вычислениями. Запутанность позволяет управлять несколькими кубитами (базовыми единицами квантовой информации) одной операцией, а не по отдельности, поддерживая параллельные вычисления, и лежит в основе новых подходов к защищённым квантовым сетям связи и сенсорам. Физики адаптируют инструменты этой области для более чувствительного анализа данных коллайдера, что может выявить тонкие эффекты, выходящие за рамки современного понимания физики частиц. Большие наборы данных дадут больше возможностей для применения таких методов: оксфордские исследователи помогают модернизировать детектор ATLAS, который будет работать вместе с обновлённым Большим адронным коллайдером высокой светимости. Профессор Даниэла Бортолетто из Оксфорда, координирующая британские усилия по созданию модулей для пиксельной системы обновлённого ATLAS, заявила: «Это измерение демонстрирует научную мощь коллаборации ATLAS и уникальные возможности Большого адронного коллайдера ЦЕРН. Оксфордские исследователи сыграли ведущую роль в разработке этих новых подходов к изучению квантовых явлений при самых высоких энергиях, и мы гордимся участием в международных усилиях, открывающих новые пути познания фундаментальных законов природы».