Физики Оксфордского университета вместе с международной командой подтвердили, что квантовая запутанность сохраняется даже у одних из самых массивных и недолговечных частиц. Исследование провели на Большом адронном коллайдере CERN с помощью эксперимента ATLAS. Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters, о чём сообщает ScienceDaily.
Учёные изучали пары бозонов Z, которые существуют лишь ничтожную долю секунды, а затем распадаются. Эти частицы возникали при распаде бозона Хиггса — частицы, обнаруженной на Большом адронном коллайдере в 2012 году. Сам бозон Хиггса образуется при столкновении протонов, движущихся со скоростью 99,99% от скорости света, при энергии до 13 триллионов электронвольт.
После распада бозонов Z образуются электроны или мюоны, которые способен регистрировать детектор ATLAS. Исследователи проанализировали углы разлёта этих частиц и по ним восстановили спины исходных бозонов. Полученные корреляции соответствовали ожидаемым признакам квантовой запутанности и стали одним из наиболее высокоэнергетических подтверждений этого явления.
Квантовая запутанность означает, что свойства двух частиц оказываются связанными: измерение одной из них позволяет получить сведения о другой даже при расстоянии между ними. Ранее эффект наблюдали в системах с фотонами, электронами и удерживаемыми ионами, а также использовали как основу для квантовых компьютеров, защищённых квантовых сетей связи и чувствительных датчиков. Соавтор исследования профессор Алан Барр из физического факультета Оксфорда одним из первых предложил применять ускорители частиц для изучения запутанности при энергиях, недоступных обычным квантовым экспериментам.
«Мы привыкли думать о запутанности как о чём-то хрупком, что наблюдается в лабораторных опытах с отдельными фотонами. Обнаружение этого явления у таких тяжёлых и короткоживущих частиц, как бозоны Z, рождающихся в самых мощных столкновениях, которые мы можем создать на Земле, показывает, насколько фундаментальным и устойчивым является этот квантовый эффект. Это напоминает, что те же странные правила квантовой механики, которые однажды могут обеспечить работу квантовых компьютеров, действуют повсюду в природе, в том числе при экстремальных энергиях Большого адронного коллайдера», — сказал Барр.
Работа стала частью более широкого направления, объединяющего квантовую информатику и физику высоких энергий. Такие методы позволяют искать в огромных массивах данных ускорителей слабые закономерности, которые могут указывать на явления за пределами существующих теорий. Оксфордские учёные участвуют в модернизации детектора ATLAS, а обновлённый детектор и Высокосветимый Большой адронный коллайдер должны предоставить значительно больше данных для новых проверок квантовых эффектов. Соавтор проекта профессор Крис Тимпсон назвал эксперименты на коллайдерах новым рубежом в изучении основ квантовой механики.