Големият адронен колайдер е използван, за да се изследват странните явления на квантовото вплитане при далеч по-високи енергии от всякога.

Всеки знае, че в Големия адронен колайдер (LHC) се разбиват частици една в друга при висока скорост, но сега това огромно съоръжение е използвано за по-деликатен експеримент – изследване на квантовото вплитане.

Резултатите, демонстриращи вплитане между две субатомни частици, наречени кварки, са първите от новите усилия да се тества дали странните квантови явления могат да възникнат при изключително високи енергийни нива и биха могли да разкрият нови прозрения за фундаменталната природа на реалността.

Вплитането е странен квантов ефект, при който обектите или частиците са свързани така, че измерването на свойство на един обект разкрива това на другия. Изследователите са изследвали вплитането в някои фундаментални частици, като електрони и фотони, но да се направи това за други, е много по-трудно. Такива са неделимите градивни елементи на протони и неутрони - кварките, почти винаги са свързани заедно като залепени с лепило. Силата, която ги свързва, расте с увеличаване на разстоянието между кварките, енергията на взаимодействието расте подобно на потенциалната енергия на повдигнат камък над Земята. Затова е толкова трудно да се изследват отделно.

На силното взаимодействие са подложени кварките, а негови преносители са глуоните. То ги свързва заедно и така се образуват протоните, неутроните и други частици. Косвено то влияе на връзката на протоните и неутроните в атомните ядра.

Сега Джей Хауърт (Jay Howarth) от ЦЕРН, лабораторията по физика на елементарните частици в Швейцария, където  е Големият адронен колайдер, и колегите му са измерили вплитането между двойки кварки.

"Това директно тества дали квантовата механика все още се държи по същия начин, когато има 10 трилиона пъти по-висока енергия, отколкото всички други експерименти", отбелязва Хауърт. "Изглежда, че отговорът е най-вече да."

За да направи това, екипът изследва върховни кварки, разновидност, която е около 175 пъти по-тежка от един протон.

ATLAS постига най-високо енергийно откриване на квантовото вплитане. Кредит: ATLAS Collaboration, CERN

Изследователите произвеждат върховните кварки, като ускоряват два лъча протони до високи енергии и ги насочват така, че да се приближат много близо до срещата, без реално да се сблъскат. Излишната енергия произвежда двойки върховни кварки, докато лъчите се срещат един с друг, които след това бързо се разпадат в супа от други частици с висока енергия.

Дали върховните кварки са вплетени или не, влияе на това къде отиват техните дъщерни частици, така че изследователите са успели да разкрият квантовата им природа, наблюдавайки посоките на снопа частици, потвърждавайки вплитането.

"Върховите кварки са тези, които са вплетени, а след това измерваме частиците на разпад, които носят подписа на това вплитане", казва Хауърт.

За първи път квантовото вплитане е измерено при толкова високи енергии и екипът открива неочаквана аномалия: леко несъответствие с нивото на вплитане, предсказано от Стандартния модел на физиката на частиците, сегашното ни най-добро разбиране за това как частиците взаимодействат.

"Това вероятно подчертава факта, че когато отидем в тези много екстремни региони, в теорията липсва нещо, но вероятно не е някакъв вид странна нова физика", коментира Хауърт.

"Това е особено интересно ново измерване, защото отваря възможностите на Големия адронен колайдер за извършване на различен тип физика, с която традиционно не се свързва", посочва Алън Бар (Alan Barr) от Оксфордския университет, който не е участвал в работата.

Бъдещи експерименти, които измерват вплитането между други фундаментални тежки частици, като бозоните на Хигс, W и Z, също биха могли да помогнат за изследване къде Стандартният модел не работи, както и по-сложните квантови тестове.

"Щеше да е изненада да открием, че квантовата теория не работи в тази област, но природата ни е поднасяла много изненади в миналото", отбелязва Бар. "Докато не се отиде до там и реално не се направят измерванията, няма да се знае какви ще бъдат резултатите."

Afik, Y., de Nova, J.R.M., Entanglement and quantum tomography with top quarks at the LHC (Eur. Phys. J. Plus 136, 907 (2021))

Large Hadron Collider turned into world's biggest quantum experiment, New Scientist