Исследователи Большого адронного коллайдера (БАК), крупнейшего в мире ускорителя частиц, только что сделали новый шаг в изучении законов природы. Они наблюдали феномен квантовой запутанности между топ-кварками (t-кварками), самыми тяжелыми элементарными частицами, на беспрецедентных уровнях энергии. Этот прорыв открывает новые перспективы для физики частиц и может раскрыть новые грани фундаментальных сил, управляющих Вселенной.
Квантовая запутанность — одно из самых загадочных явлений в квантовой механике. Она возникает, когда две или более частиц связаны таким образом, что, даже будучи разделенными астрономическими расстояниями, состояние одной из них мгновенно влияет на состояние другой. Это противоречит нашей интуиции и ставит под сомнение некоторые понятия классической физики, такие как причинность.
Проще говоря, представьте себе две частицы, которые разделяет невидимая связь. Независимо от того, как далеко они находятся друг от друга, любое изменение состояния одной из них немедленно отразится на другой, как если бы они были единым целым, даже если их разделяют световые годы. Это явление широко изучается в области квантовой механики, но обычно оно наблюдается на относительно низких энергетических уровнях, в экспериментах с более легкими частицами, такими как электроны, что возвращает нас к новому прорыву.
В основе этого открытия лежат t-кварки - фундаментальные частицы, играющие ключевую роль в структуре материи, которые являются строительными блоками элементарных частиц.
Однако t-кварки уникальны не только в этом смысле. Это самые тяжелые из известных элементарных частиц, их масса сопоставима с массой молекулы кофеина (около 172,5 ГэВ/c²). Их масса настолько велика, что делает их особенно трудными для изучения в обычных условиях. Фактически, их большая масса означает, что для их получения в ускорителях частиц, таких как БАК, требуется огромное количество энергии. С практической точки зрения, чем тяжелее частица, тем сложнее ее создать и обнаружить.
Еще одна особенность t-кварков заключается в том, что они крайне нестабильны. После создания они распадаются за бесконечно малую долю секунды, около 0,0000000000000000000000005 секунды — невероятно короткий промежуток времени даже в субатомных масштабах.
Сверхбыстрый распад t-кварка, хотя и затрудняет его прямое наблюдение, тем не менее предоставляет физикам ценную возможность. Когда t-кварк распадается, он порождает другие частицы, такие как кварки, лептоны и бозоны. Эти продукты распада позволяют исследователям лучше понять фундаментальные взаимодействия между элементарными частицами.
Результаты новой работы были получены с помощью двух крупнейших детекторов БАК: ATLAS и Compact Muon Solenoid (CMS). Эти детекторы фиксируют продукты столкновений протонов, разогнанных до скоростей, близких к скорости света. Когда протоны сталкиваются при экстремальных энергиях, они распадаются на поток субатомных частиц, включая знаменитые t-кварки.
Особенно интересным это открытие делает то, что впервые исследователи наблюдали квантовую запутанность между t-кварками при таких колоссальных уровнях энергии. В деталях, во время столкновений протонов при сверхвысоких энергиях t- и анти-t-кварки образуются парами. Эти пары t-кварков становятся запутанными сразу же после их образования. Это означает, что их свойства, такие как спин, остаются связанными, независимо от расстояния, разделяющего их.
Эта запутанность была бы обнаружена со статистической достоверностью более чем в пять стандартных отклонений, а значит, исследователи могут с уверенностью утверждать, что это явление реально, а не обусловлено случайностью.
«Хотя физика частиц глубоко укоренена в квантовой механике, наблюдение квантовой запутанности в новой системе частиц и при гораздо более высокой энергии, чем это было возможно ранее, весьма примечательно», — сказал Андреас Хёккер, представитель эксперимента ATLAS.
Это открытие — не просто техническое достижение: оно имеет глубокие последствия для физики частиц. Запутывание на этих энергетических уровнях открывает новые возможности для проверки Стандартной модели — теории, описывающей взаимодействие между элементарными частицами и фундаментальными силами. Эта модель была в значительной степени подтверждена десятилетиями экспериментов, но некоторые недавние наблюдения, такие как высокоэнергетическая запутанность, могут свидетельствовать о существовании явлений, выходящих за рамки Стандартной модели.
Это исследование также может дать ключ к разгадке таких экзотических явлений, как темная материя или квантовая гравитация, которые все еще находятся за пределами нашего нынешнего понимания. Квантовая запутанность топ-кварков, наблюдаемая при беспрецедентных энергиях, может открыть законы физики, которые все еще недоступны для современных инструментов и теорий.