Физики международной коллаборации ATLAS обнаружили убедительные признаки квантовой запутанности между парами Z-бозонов на Большом адронном коллайдере CERN. Эти тяжёлые элементарные частицы существуют почти мгновение, однако их квантовая связь сохраняется и после распада. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Z-бозоны возникали при распаде бозонов Хиггса, которые учёные открыли на коллайдере в 2012 году. Для их получения протоны разгоняли до 99,99% скорости света и сталкивали при энергии 13 триллионов электронвольт. Каждый Z-бозон затем распадался на пару электронов или мюонов — более тяжёлых аналогов электронов.
Хотя сами Z-бозоны исчезали практически сразу, детектор ATLAS регистрировал продукты их распада. Направления движения электронов и мюонов позволили восстановить сведения о спинах исходных частиц — их квантовом свойстве, связанном с угловым моментом. Сопоставив эти данные, исследователи проверили, оставались ли спины Z-бозонов взаимосвязанными.
«Мы привыкли думать о запутанности как о чём-то хрупком, наблюдаемом в лабораторных экспериментах с отдельными фотонами. Обнаружение этого явления у таких тяжёлых и короткоживущих частиц, как Z-бозоны, рождающихся в самых мощных столкновениях на Земле, показывает, насколько фундаментальным и устойчивым является этот квантовый эффект. Это напоминает, что те же странные правила квантовой механики, которые однажды могут использоваться в квантовых компьютерах, действуют повсюду в природе, в том числе при экстремальных энергиях Большого адронного коллайдера», — сказал соавтор работы, профессор физического факультета Оксфордского университета Алан Барр, слова которого приводит SciTechDaily.
Ранее запутанность наблюдали у фотонов, электронов и удерживаемых ионов. Барр, участвовавший в создании Большого адронного коллайдера, одним из первых предложил использовать ускорители для изучения этого явления при энергиях, недоступных прежним экспериментам. В 2023 году ATLAS уже зафиксировал запутанность пар топ-кварков, а новое измерение распространило такой подход на Z-бозоны.
Для анализа данных физики применяют методы квантовой информатики — области, связанной с квантовыми вычислениями, защищённой связью и сенсорами нового поколения. Исследователи Оксфорда участвуют в модернизации детектора ATLAS, который будет работать вместе с усовершенствованным коллайдером высокой светимости. По словам профессора Даниэлы Бортолетто, эти обновления позволят изучать квантовые явления при ещё более высоких энергиях и получать большие массивы данных. Работа также связана с философским исследованием основ квантовой механики: профессор Крис Тимпсон назвал эксперименты с запутанностью на коллайдере новым направлением в изучении природы квантовой реальности.