Запутанность частиц подтверждена в экстремальных условиях: открытие физиков из Оксфорда

Квантовая запутанность — одно из самых странных явлений в физике. Две частицы, когда-то связанные общим происхождением, остаются связанными, даже если их разделяют огромные расстояния. Измерение свойства одной мгновенно дает информацию о другой. Эйнштейн называл это «жутким действием на расстоянии». Сегодня запутанность уже не просто курьез: она лежит в основе квантовых компьютеров, сверхбезопасной связи и датчиков нового поколения.

До недавнего времени было неясно, сохраняется ли запутанность в экстремальных условиях — например, среди короткоживущих частиц, рождающихся при высокоэнергетических столкновениях. Международная группа исследователей использовала детектор ATLAS на Большом адронном коллайдере (LHC) в ЦЕРН, чтобы проверить это. Ученые искали запутанность в парах Z-бозонов — частиц, которые существуют доли секунды, прежде чем распасться.

Z-бозоны образовались при распаде бозона Хиггса, который, в свою очередь, возник при столкновении протонов, движущихся со скоростью 99,99% от скорости света. Энергия столкновений достигала 13 триллионов электронвольт. Хотя Z-бозоны исчезают почти мгновенно, детектор ATLAS точно отслеживает электроны и мюоны, которые они оставляют после распада. Восстанавливая углы вылета этих частиц, исследователи определили спины исходных Z-бозонов и проверили, связаны ли они квантовой запутанностью. Результаты показали убедительные доказательства того, что это так. Это одно из самых высокоэнергетических подтверждений запутанности, когда-либо зафиксированных.

Профессор Алан Барр из Оксфордского университета одним из первых предложил использовать коллайдеры для изучения квантовой запутанности на энергиях, недостижимых в обычных лабораториях. Его идеи легли в основу эксперимента 2023 года, где запутанность была показана для пар топ-кварков — самых тяжелых известных элементарных частиц. По словам Барра, обнаружение запутанности среди таких тяжелых и недолговечных частиц, рожденных в жестоких столкновениях, показывает, насколько фундаментален и надежен этот квантовый эффект. Те же странные правила квантовой механики, которые однажды обеспечат работу квантовых компьютеров, действуют повсюду в природе, даже при экстремальных энергиях LHC.

Помимо фундаментального значения, работа дополняет усилия физиков по переносу инструментов квантовой информационной науки в физику элементарных частиц. Это помогает разрабатывать более чувствительные методы анализа данных коллайдера и выявлять тонкие эффекты, указывающие на физику за пределами известного. В Оксфорде профессор Барр совместно руководит междисциплинарным проектом, исследующим основы квантовой механики на высоких энергиях, включая философские последствия этих измерений. Как отметил профессор Крис Тимпсон с факультета философии, запутанность — одновременно самый многообещающий и самый загадочный аспект квантовой реальности, а эксперименты на коллайдере открывают новый рубеж в исследованиях основ квантовой механики.

Исследователи Оксфорда также участвуют в модернизации детектора ATLAS. Вместе с обновленным LHC высокой светимости это позволит проводить еще более глубокие исследования квантовых явлений и применять новые методы квантовой информации к огромным массивам данных. Профессор Даниэла Бортолетто, координирующая создание модулей для модернизированного пиксельного детектора ATLAS, подчеркнула научную мощь сотрудничества ATLAS и уникальные возможности LHC. По ее словам, оксфордские исследователи сыграли ведущую роль в разработке новых подходов к изучению квантовых явлений на высоких энергиях, и это открывает новые пути для понимания фундаментальных законов природы.

Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.