Квантовая запутанность между «топ-кварками» при самых высоких наблюдаемых энергиях  

Исследователи из ЦЕРНа преуспели в наблюдении квантовой запутанности между «топ-кварками» и при самых высоких энергиях. Впервые об этом сообщили в сентябре 2023 года, и с тех пор это было подтверждено первым и вторым наблюдением. Пары «топ-кварков», полученные на Большом адронном коллайдере (БАК), использовались в качестве новой системы для изучения запутанности. 

«Топ-кварки» — самые тяжелые фундаментальные частицы. Они быстро распадаются, передавая свой спин своим распадающимся частицам. Ориентация спина топ-кварка выводится из наблюдения продуктов распада.  

Исследовательская группа наблюдала квантовую запутанность между «топ-кварком» и его аналогом из антиматерии при энергии 13 тераэлектронвольт (1 ТэВ = 10¹²  эВ). Это первое наблюдение запутанности в паре кварков (топ-кварк и антитоп-кварк) и самое высокоэнергетическое наблюдение запутанности на сегодняшний день. 

Квантовая запутанность при высоких энергиях осталась в значительной степени неизученной. Это развитие прокладывает путь для новых исследований.  

В квантово-запутанных частицах состояние одной частицы зависит от других независимо от расстояния и среды, разделяющей их. Квантовое состояние одной частицы не может быть описано независимо от состояния других в группе запутанных частиц. Любое изменение в одной из них влияет на другие. Например, пара электрона и позитрона, возникающая в результате распада пи-мезона, запутана. Их спины должны складываться со спином пи-мезона, поэтому, зная спин одной частицы, мы знаем о спине другой частицы.  

В 2022 году Нобелевская премия по физике была присуждена Алену Аспекту, Джону Ф. Клаузеру и Антону Цайлингеру за эксперименты с запутанными фотонами. 

Квантовая запутанность наблюдалась в самых разных системах. Она нашла применение в криптографии, метрологии, квантовой информации и квантовых вычислениях. 

Ссылки:  

1. ЦЕРН. Пресс-релиз – Эксперименты LHC в ЦЕРНе наблюдают квантовую запутанность при самой высокой энергии. Опубликовано 18 сентября 2024 г. Доступно на https://home.cern/news/press-release/physics/lhc-experiments-cern-observe-quantum-entanglement-highest-energy-yet  

2. Сотрудничество ATLAS. Наблюдение квантовой запутанности с топ-кварками на детекторе ATLAS. Nature 633, 542–547 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07824-z 

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЧАСТИЦЫ  – Быстрый взгляд

Фундаментальные частицы классифицируются на фермионы и бозоны на основе спина.

[А]. ФЕРМИОНЫ имеют спин в нечетных полуцелых значениях (½, 3/2, 5/2, ….). Это частицы материи состоящий из всех кварков и лептонов.   – следуйте статистике Ферми–Дирака,   – имеют полунечетно-целый спин   – подчиняются принципу исключения Паули, т.е. два одинаковых фермиона не могут занимать одно и то же квантовое состояние или одно и то же место в пространстве с одним и тем же квантовым числом. Они не могут оба вращаться в одном и том же направлении, но могут вращаться в противоположных направлениях   К фермионам относятся все кварки и лептоны, а также все составные частицы, состоящие из нечетного числа этих частиц.  – Кварки = шесть кварков (верхний, нижний, странный, очарованный, нижний и верхний кварки).  – Объединяются, образуя адроны, такие как протоны и нейтроны. – Невозможно наблюдать вне адронов.   – Лептоны = электроны + мюоны + тау + нейтрино + мюонное нейтрино + тау-нейтрино.    – «Электроны», «верхние кварки» и «нижние кварки» – три наиболее фундаментальных составляющих всего во Вселенной.   – Протоны и нейтроны не являются фундаментальными, но состоят из «верхних кварков» и «нижних кварков», поэтому являются композитные частицы. Протоны и нейтроны состоят из трех кварков — протон состоит из двух «верхних» кварков и одного «нижнего» кварка, тогда как нейтрон содержит два «нижних» и один «верхний». «Верхний» и «нижний» — это два «аромата» или разновидности кварков.  – Барионы являются составными фермионами, состоящими из трех кварков, например, протоны и нейтроны являются барионами  – Адроны состоят только из кварков, например, барионы являются адронами.

[Б]. БОЗОНЫ имеют спин в целочисленных значениях (0, 1, 2, 3, ….)   – Бозоны подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна; имеют целый спин.   – назван в честь Сатьендра Нат Бос (1894–1974), который вместе с Эйнштейном разработал основные идеи статистической термодинамики бозонного газа.   – не подчиняются принципу исключения Паули, т.е. два одинаковых бозона могут занимать одно и то же квантовое состояние или одно и то же место в пространстве с одним и тем же квантовым числом. Они оба могут вращаться в одном и том же направлении,   – Элементарные бозоны – это фотон, глюон, Z-бозон, W-бозон и бозон Хиггса. У бозона Хиггса спин = 0, а у калибровочных бозонов (то есть у фотона, глюона, Z-бозона и W-бозона) спин = 1.

[C] КОМПОЗИТНЫЕ ЧАСТИЦЫ – Составные частицы могут быть бозонами или фермионами в зависимости от их компонентов.  – Все составные частицы, состоящие из четного числа фермионов, являются бозонами (потому что бозоны имеют целый спин, а фермионы имеют нечетный полуцелый спин).   – Все мезоны являются бозонами (потому что все мезоны состоят из равного числа кварков и антикварков). – Стабильные ядра с четными массовыми числами – это бозоны, например, дейтерий, гелий-4, углерод-12 и т. д.  – Составные бозоны также не подчиняются принципу исключения Паули.   – Несколько бозонов в одном и том же квантовом состоянии объединяются, образуя «Конденсат Бозе-Эйнштейна (БЭК)».