В ЦЕРН са на косъм да потвърдят теорията на Айнщайн за „нещо зловещо в далечината“
Учени от ЦЕРН откриха първи доказателства за квантово заплитане между два Z-бозона, произведени при разпади на Хигс бозони. Резултатът достига 4,6 сигма.
Учени от ЦЕРН откриха първи доказателства за квантово заплитане между два Z-бозона. Частиците са произведени при разпади на Хигс бозони в Големия адронен колайдер.
Резултатът достига 4,6 сигма, докато за официално откритие са нужни 5 сигма. Така физиците са изключително близо до необходимия праг.
Квантовото заплитане е явление, което Алберт Айнщайн нарича „зловещо действие в далечината“. При него свойствата на две частици остават свързани. Те не могат да бъдат описани напълно независимо, дори когато са разделени от огромно разстояние.
Измерването на едната частица предоставя информация за другата. Тази характеристика противоречи на ежедневната интуиция. Тя обаче е сред основните особености на квантовата механика.
Новият резултат е различен от предишни наблюдения в колайдера. През 2024 г. колаборацията ATLAS обяви квантово заплитане между двойки горни кварки. Сега учените изследват заплитане между спиновете на два Z-бозона.
„Спиновете на двата Z-бозона са свързани доста повече от случая горен-антигорен, който бе измерен преди“, казва физикът Хуан Антонио Агилар-Сааведра.
Z-бозоните имат три възможни състояния на спина. В езика на квантовата информация това ги определя като кютрити. Горните кварки имат две състояния и се разглеждат като кюбити.
„И това прави още една важна разлика. За първи път се измери заплитане с елементарни частици, които са кютрити“, обяснява Агилар-Сааведра.
Хигс бозонът осигурява удобен начин за производство на двойка заплетени Z-бозони. Хигс бозонът няма собствен спин. Затова спиновете на двата Z-бозона трябва да се комбинират до нулева стойност.
Квантовата механика позволява няколко такива възможности да съществуват едновременно. Това общо състояние поражда заплитането между частиците.
Експериментът обаче включва важна физическа особеност. Хигс бозонът има маса около 125 GeV. Z-бозонът има маса около 91 GeV. Енергията не достига за производството на два реални Z-бозона едновременно.
Затова единият от тях трябва да бъде виртуален. Виртуалните частици се появяват за кратко в процесите на колайдера. Те не могат да бъдат наблюдавани като свободни частици.
Това поставя въпроса дали виртуален Z-бозон може да участва в квантово заплитане. Новите резултати показват, че такова участие е възможно.
В анализа са използвани протон-протонни сблъсъци при 13 и 13,6 TeV. Данните са записани с детектора ATLAS. Изследователите анализират разпадите на Хигс бозони и следите от получените частици.
Z-бозонът съществува приблизително 3 по 10 на минус 25 степен секунди. След това той се разпада и не може да бъде измерен директно.
При разпада се появяват две заредени частици. Те могат да бъдат електрони или по-тежки мюони. От двата Z-бозона физиците получават общо четири лептона.
Посоките на движение на четирите лептона съдържат информация за спиновете на техните Z-бозони. Изследователите използват тези следи, за да реконструират състоянието на частиците.
Процесът е изключително сложен. Разпадът от Хигс бозон към два Z-бозона, а след това към четири лептона, е много рядък. След години събиране на данни са открити около 400 подходящи случая.
Физиците сравняват реконструираните спинове и търсят признаци на квантово заплитане. Резултатът достига 4,6 сигма. Това е силно доказателство, но не покрива напълно изискването за откритие.
Екипите ATLAS и CMS съобщават за първи доказателства за заплитане между два Z-бозона при разпади на Хигс бозони. Изследването представя и първите измервания на заплитане между спиновете на такива частици.
Виртуалните частици остават спорна тема в интерпретацията на квантовата физика. Те не се наблюдават пряко като свободни частици. Някои учени ги разглеждат като математически инструмент за описание на процесите.
„Нормално е да се запитаме дали виртуалните частици съществуват. Или са просто измислица на нашия мозък, която ни помага да изчисляваме неща“, казва Агилар-Сааведра.
Той уточнява, че резултатът не решава напълно философския въпрос. Според него обаче той осветлява поведението на виртуалните частици.
„Ако ходи като пате, квака като пате, то значи пред нас е пате. В този случай виртуално пате“, заключава физикът.
Резултатите са публикувани в списание Physical Review Letters. Новото наблюдение допълва поредицата от открития в ЦЕРН, включително изследванията на редки тежки частици в Големия адронен колайдер.
