На Большом адронном коллайдере увидели квантовую запутанность топ-кварков

Физики на Большом адронном коллайдере увидели квантовую запутанность между фундаментальными частицами — топ-кварками — при самой высокой на сегодняшний день энергии. Для этого они проанализировали данные, соответствующие около 140 обратным фемтобарнам статистики протон-протонных столкновений с энергией в системе центра масс 13 тераэлектронвольт. Статья об этом открытии с результатами эксперимента ATLAS опубликована в журнале Nature. Аналогичные результаты получили ученые в эксперименте CMS, о чем сообщается на сайте препринтов arXiv.org.

Квантовая запутанность — это интересное свойство в квантовой механике, при котором состояния квантово-запутанных частиц оказываются связанными друг с другом вне зависимости от расстояния между ними. У этого явления отсутствуют аналоги в классической физике, но при этом оно наблюдалось в самых разных системах и может применяться в квантовой криптографии и квантовых вычислениях. В 2022 году Ален Аспект, Джон Клаузер и Антон Цайлингер получили Нобелевскую премию по физике за новаторские эксперименты с запутанными фотонами. При этом квантовая запутанность до сих пор осталась не изученной в области высоких энергий, доступных на коллайдерах частиц.

В серии новых работ физики из экспериментов ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере измерили квантовую запутанность между топ- и антитоп-кварками. Для этого они проанализировали данные, набранные при протон-протонных столкновениях с энергией в системе центра масс 13 тераэлектронвольт. В обоих экспериментах массив обработанных данных соответствовал около 140 обратным фемтобарнам интегральной светимости. В массиве данных ученые отбирали события, в которых одновременно рождались пары кварков с низким импульсом частиц относительно друг друга. В этом случае спины двух кварков будут сильно запутаны, согласно теоретическому предсказанию физиков.

Ученые определяли существование и степень запутанности спинов, измеряя угол ? между направлениями, в которых испускаются электрически заряженные продукты распада двух кварков, и сравнивали полученные распределения с результатами компьютерного моделирования. Физики вычисляли параметр запутанности D, вычисляемый через усредненный косинус угла ?. В результате команды ATLAS и CMS наблюдали запутанность спинов между топ-кварками со значением D около ?0,54 в диапазоне инвариантной массы образовавшихся пар от 340 до 380 гигаэлектронвольт. При этом статистическая значимость обнаружения превысила пять стандартных отклонений.

Физики отметили, что это первое наблюдение квантовой запутанности кварков и самое высокоэнергетическое наблюдение запутывания на сегодняшний день.

Более подробно о том, что такое квантовая запутанность и где она может применяться, читайте в нашем материале «Бог играет в эти игры».