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:
- 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
- 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. – 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 мэсоны 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)». |
