Исследуя границы квантовой физики: квантовая запутанность обнаружена у самых тяжелых частиц

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com
| Рассуждения | Наука и космос

В захватывающем мире квантовой физики, где законы классической механики теряют свою силу, а частицы ведут себя порой совершенно непредсказуемо, существует феномен, поражающий воображение — квантовая запутанность. Это явление, подобное таинственной связи между двумя объектами, позволяет им «чувствовать» друг друга на огромных расстояниях, невзирая на отсутствие какой-либо физической связи. Измерение состояния одного из запутанных объектов мгновенно отражается на состоянии другого, как будто они связаны невидимой нитью, простирающейся сквозь пространство.

Долгое время квантовая запутанность наблюдалась преимущественно в системах с низкой энергией, таких как пары фотонов, находящиеся в тщательно контролируемых лабораторных условиях. Однако недавний эксперимент ATLAS, проведенный на Большом адронном коллайдере в Женеве, открыл новую главу в исследовании этого удивительного феномена. Ученым, работающим в рамках коллаборации ATLAS, удалось зафиксировать квантовую запутанность в парах топ-кварков — самых тяжелых из известных науке элементарных частиц.

Если квантовая запутанность, словно незримая нить, способна связывать даже такие массивные объекты, как топ-кварки, то насколько универсально это явление? Может ли оно быть своего рода фундаментальным принципом, лежащим в основе организации материи на самом глубоком уровне? Возможно, дальнейшее изучение запутанности позволит нам приоткрыть завесу тайны над устройством Вселенной и приблизиться к пониманию законов природы, которые до сих пор остаются для нас загадкой.

Т-кварки, иллюстрация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com
Топ-кварк: загадочный тяжеловес микромира

Чтобы по достоинству оценить значимость открытия, сделанного в рамках эксперимента ATLAS, необходимо погрузиться в удивительный мир элементарных частиц и познакомиться с топ-кварком — одним из самых загадочных обитателей этого микромира. Топ-кварк относится к семейству кварков — фундаментальных частиц, из которых состоят протоны и нейтроны, формирующие ядра атомов, являющихся основой всего вещества, которое нас окружает.

a, cos φ, наблюдаемый в области сигнала на уровне детектора. b, Маркер запутанности D, вычисленный из распределений на уровне детектора тремя различными генераторами Монте-Карло; модели тяжелых кварков POWHEG + PYTHIA и POWHEG + HERWIG, обозначенные как Pow+Py (hvq) и Pow+H7 (hvq), соответственно, и модель POWHEG + PYTHIA bb4ℓ, обозначенная как Pow + Py (bb4ℓ), показаны после вычитания фоновых процессов. Полоса неопределенности показывает неопределенности от всех источников, добавленных в квадратурах. Отношения предсказаний к данным показаны в нижней части a и b. Приведенное значение D для модели bb4ℓ также включает вычитание фона одиночных-топ-кварков.
Автор: The ATLAS Collaboration. Observation of quantum entanglement with top quarks at the ATLAS detector. Nature 633, 542-547 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07824-z CC-BY 4.0 Источник: www.nature.com

Однако топ-кварк выделяется среди своих «собратьев» по семейству кварков поистине колоссальной массой. Он в 184 раза тяжелее протона, который, в свою очередь, в 1836 раз тяжелее электрона! Топ-кварк даже превосходит по массе атом вольфрама — тяжелого металла, используемого в промышленности для создания высокопрочных сплавов. Причины такой «тяжеловесности» топ-кварка до сих пор неясны и являются предметом активных исследований, привлекающих внимание физиков-теоретиков по всему миру.

Запутанность в экстремальных условиях: вызов устоявшимся представлениям

Обнаружение квантовой запутанности у топ-кварков — это не просто очередное экспериментальное подтверждение квантовой теории, которая уже давно стала основой нашего понимания микромира.

До сих пор считалось, что квантовая запутанность — хрупкое явление, подобное тонкой паутинке, которая легко разрушается под воздействием внешних факторов. Поэтому эксперименты, направленные на демонстрацию запутанности, проводились в тщательно контролируемых лабораторных условиях, например, при сверхнизких температурах, близких к абсолютному нулю, и в условиях высокой изоляции от окружающей среды.

a, Калибровочная кривая для зависимости между значением D на уровне частиц и значением D на уровне детектора в области сигнала. Желтая полоса представляет статистическую неопределенность, а серая — общую неопределенность, полученную путем квадратурного сложения статистической и систематической неопределенностей. Измеренные значения и ожидаемые значения из POWHEG + PYTHIA 8 (hvq) отмечены черными и красными кружками соответственно, а предел запутывания показан пунктирной линией. b, Результаты D на уровне частиц в сигнальной и проверочной областях в сравнении с различными моделями Монте-Карло. Показанный предел запутанности представляет собой преобразование значения D = -1/3 на уровне партонов в соответствующее значение на уровне частиц
Автор: The ATLAS Collaboration. Observation of quantum entanglement with top quarks at the ATLAS detector. Nature 633, 542-547 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07824-z CC-BY 4.0 Источник: www.nature.com

Однако топ-кварки, рождаясь в высокоэнергетических столкновениях протонов, разгоняемых до скоростей, близких к скорости света, в недрах Большого адронного коллайдера, существуют в экстремальных условиях, подобных тем, что царили во Вселенной в первые мгновения после Большого взрыва. Тот факт, что квантовая запутанность сохраняется даже в такой «турбулентной» среде, свидетельствует о ее удивительной устойчивости и ставит под сомнение некоторые устоявшиеся представления о природе этого явления.

Взгляд в будущее: на пути к новым открытиям

Открытие квантовой запутанности у топ-кварков освещает путь к новым открытиям в области квантовой физики и открывает перед наукой захватывающие перспективы. Исследование этого феномена, позволит физикам глубже проникнуть в суть квантовой теории, которая до сих пор хранит в себе множество загадок. Возможно, именно изучение запутанности станет ключом к пониманию фундаментальных законов природы, управляющих эволюцией Вселенной с момента ее зарождения до наших дней.

Несмотря на то, что практическое применение запутанности топ-кварков пока не представляется возможным, это открытие — важный шаг на пути к расширению наших знаний о Вселенной. Дальнейшие исследования в этой области могут привести к созданию новых технологий, основанных на принципах квантовой физики, и открыть перед человечеством невиданные ранее возможности.

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Почему моряки боятся пролива Дрейка, и какую роль он играет в климате планеты

Немногие морские пути могут внушить бывалым морякам столько страха, сколько внушает только мысль о необходимости пересечь пролив Дрейка, который расположен между южной оконечностью Южной Америки и...

Для чего жители острова Яп устанавливали огромные каменные глыбы перед своими жилищами

В Тихом океане есть много необычных и удивляющих своей природой и обычаями островов и архипелагов. На некоторых из них до сих пор жизнь и традиции такие же, как и сотни лет назад. К таким островам...

Baseus CCZX-140 — честные 140W. Обзор автомобильного зарядного устройства с поддержкой Power Delivery 3.1 28V

Автомобильное зарядное устройство в прикуриватель Baseus CCZX-140 является одним из самых мощных устройств, представленных на рынке, поддерживает множество популярных протоколов быстрой зарядки, в...

Синдром самозванца: почему успешные люди боятся, что они «не настоящие»

Вы добились всего, о чем мечтали. Карьера идет в гору, люди вокруг смотрят на вас с уважением, но вместо того, чтобы наслаждаться успехом, внутри вас растет сомнение: «А действительно ли я...

10 распространенных промахов в дизайне маленькой спальни и как их исправить

Маленькая спальня — это всегда вызов. С одной стороны, хочется сделать так, чтобы было уютно, с другой — места катастрофически мало, и каждый лишний предмет кажется врагом. Но...

10 способов для поднятия настроения без кофе и шоколада

В повседневной жизни часто возникают моменты, когда нужно срочно взбодриться или поднять себе настроение. Многие привыкли делать это с помощью чашки кофе или плитки шоколада, но существуют и...