Коллаборациями ATLAS и CMS ЦЕРН обнаружили убедительные доказательства квантовой запутанности между Z-бозонами
Квантовая запутанность, безусловно, является одной из самых странных концепций, возникших в плавильном котле физики 20-го века. Многие великие физики, включая Эйнштейна, пытались принять тот факт, что это явление может быть реальным, но на протяжении десятилетий число примеров, демонстрирующих его, неуклонно растет. И недавно коллаборации ATLAS и CMS дополнили эти результаты, обнаружив убедительные доказательства того, что Z-бозоны, образующиеся при столкновениях на Большом адронном коллайдере (LHC), находятся в состоянии квантовой запутанности.
Художественное изображение квантовой запутанности между двумя Z-бозонами (автор: Даниэль Домингес/CERN)
Причина, по которой квантовая запутанность озадачивала многих физиков, заключается в том, что в квантовой механике частица может существовать в нескольких возможных состояниях одновременно. Если две частицы квантово запутаны, состояние одной связано с состоянием другой, независимо от расстояния между ними. Квантово запутанность побудила Эйнштейна и его коллег бросить вызов квантовой механике, утверждая, что для определения состояний двух квантовых систем до их измерения должны существовать скрытые свойства. Но эксперименты неизменно демонстрировали, что квантовая механика действительно настолько странная и что частицы действительно могут быть квантово запутаны.
Большинство экспериментов, демонстрирующих квантовую запутанность, проводились с участием низкоэнергетических частиц. Квантовая запутанность частиц с чрезвычайно высокой энергией, образующихся при столкновениях на LHC, совершенно иная. Здесь она может служить дополнительным инструментом для исследования бозона Хиггса и его взаимодействия с элементарными частицами.
ATLAS и CMS ранее искали признаки квантовой запутанности в короткоживущих частицах, образующихся при высокоэнергетических столкновениях на LHC. Несколько лет назад наблюдалось квантовое запутывание топ-кварков — самых тяжелых фундаментальных частиц.
В недавних исследованиях были проанализирована распады бозона Хиггса и обнаружены первые свидетельства квантового запутывания между двумя Z-бозонами. Z-бозон несет слабое ядерное взаимодействие, и изучение возможности его запутывания может помочь углубить наше понимание этой фундаментальной силы и ее поведения при экстремальных энергиях. Как правило, при поиске признаков запутанных частиц исследователи ищут корреляцию между значениями квантового свойства, известного как спин, у двух частиц. В то время как топ-кварки могут занимать два возможных спиновых состояния, +1 или −1, Z-бозоны могут занимать три: -1, 0 или +1. Если в результате распада бозона Хиггса образуются два Z-бозона, сумма их спиновых состояний должна равняться спиновому состоянию бозона Хиггса, которое равно нулю. Это означает, что если один Z-бозон, образовавшийся в результате распада бозона Хиггса, имеет спиновое состояние +1, то другой Z-бозон, образовавшийся в результате того же распада, должен иметь спиновое состояние -1.
Z-бозоны нестабильны и распадаются почти мгновенно, поэтому исследователи искали признаки их существования через их распад на пары электронов или мюонов, которые могут быть измерены детекторами ATLAS и CMS. Из этих двух пар частиц можно реконструировать спиновые свойства Z-бозонов и с помощью статистического анализа определить величину квантовой запутанности. В результате ученые обнаружили убедительные доказательства квантовой запутанности между Z-бозонами, образовавшимися в результате распада бозона Хиггса.
Эти результаты подчеркивают важность бозона Хиггса как средства изучения квантовой запутанности при высоких энергиях. Они также являются многообещающим признаком будущих возможностей, которые откроет Большой адронный коллайдер HiLumi, где резкое увеличение числа столкновений потенциально может расширить изучение квантовой запутанности и других квантовых явлений при чрезвычайно высоких энергиях.