Η κβαντική διεμπλοκή συνδέεται συνήθως με φωτόνια, άτομα και προσεκτικά απομονωμένα εργαστηριακά συστήματα. Στο CERN, όμως, οι φυσικοί την αναζήτησαν σε ένα πολύ πιο βίαιο περιβάλλον: σε συγκρούσεις πρωτονίων με ενέργειες τρισεκατομμυρίων ηλεκτρονιοβόλτ, όπου ένα μποζόνιο Higgs μπορεί να γεννηθεί και σχεδόν αμέσως να διασπαστεί. Η νέα μέτρηση του πειράματος ATLAS βρήκε ισχυρές ενδείξεις ότι δύο μποζόνια Z που προέκυψαν από αυτή τη διάσπαση παρέμειναν κβαντικά συσχετισμένα, παρότι υπήρξαν μόνο για ένα απειροελάχιστο κλάσμα του δευτερολέπτου.
Η εργασία δημοσιεύθηκε στο Physical Review Letters και αποτελεί την πρώτη μέτρηση διεμπλοκής μεταξύ των σπιν ενός ζεύγους μποζονίων Z. Η ομάδα ανέλυσε δεδομένα συγκρούσεων πρωτονίου–πρωτονίου που κατέγραψε ο ATLAS στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων, σε ενέργειες 13 και 13,6 TeV. Το αποτέλεσμα δεν αφορά μια «τηλεπαθητική» επικοινωνία σωματιδίων. Δείχνει ότι οι ιδιότητες των δύο Z δεν μπορούν να περιγραφούν πλήρως ως δύο ανεξάρτητες κλασικές καταστάσεις.
Πώς μετράς κάτι που εξαφανίζεται αμέσως
Τα μποζόνια Z είναι φορείς της ασθενούς πυρηνικής δύναμης και έχουν μεγάλη μάζα. Δεν επιβιώνουν αρκετά ώστε να μπουν σε έναν ανιχνευτή ως σταθερά αντικείμενα. Στη συγκεκριμένη διαδικασία, το Higgs διασπάστηκε σε ένα ζεύγος Z και κάθε Z έδωσε στη συνέχεια ηλεκτρόνια ή μιόνια. Ο ATLAS κατέγραψε αυτά τα τέσσερα τελικά σωματίδια και ανακατασκεύασε τις γωνίες με τις οποίες κινήθηκαν.
Οι γωνιακές κατανομές λειτουργούν σαν ίχνη των αρχικών σπιν. Αν τα δύο Z ήταν τελείως ανεξάρτητα, ορισμένοι συνδυασμοί αυτών των γωνιών θα ακολουθούσαν διαφορετικό μοτίβο. Οι ερευνητές συνέκριναν ολόκληρη την κατανομή των δεδομένων με δύο σενάρια: την πρόβλεψη του Καθιερωμένου Προτύπου, όπου υπάρχει διεμπλοκή, και μια διαχωρίσιμη κατάσταση χωρίς αυτήν.
Ισχυρή ένδειξη στα 4,7 σίγμα
Η υπόθεση χωρίς διεμπλοκή απορρίφθηκε με στατιστική σημαντικότητα 4,7 σίγμα, ενώ η αναμενόμενη ευαισθησία ήταν 4,9 σίγμα. Στη σωματιδιακή φυσική, το άτυπο όριο για να αποκαλείται ένα αποτέλεσμα «ανακάλυψη» είναι συνήθως τα 5 σίγμα. Γι’ αυτό το ακριβές συμπέρασμα είναι ισχυρή ένδειξη και πρώτη μέτρηση, όχι τελική απόδειξη πέρα από κάθε στατιστική αμφιβολία.
Η ανάλυση βασίζεται επίσης σε συγκεκριμένες παραδοχές του Καθιερωμένου Προτύπου για τις διασπάσεις. Οι ίδιοι οι συγγραφείς παρουσιάζουν και πιο άμεσες μετρήσεις επιμέρους συντελεστών της κβαντικής κατάστασης, οι οποίες έχουν μεγαλύτερες αβεβαιότητες. Αυτή η διάκριση έχει σημασία: το εντυπωσιακό 4,7 δεν είναι μια ανεξάρτητη φωτογραφία της διεμπλοκής, αλλά αποτέλεσμα σύγκρισης της πλήρους γωνιακής εικόνας με δύο θεωρητικά σενάρια.
Η κβαντική φυσική στις πιο ακραίες ενέργειες
Η διεμπλοκή έχει ήδη επιβεβαιωθεί σε πολλά συστήματα και αποτελεί βασικό πόρο για κβαντικούς υπολογιστές, αισθητήρες και επικοινωνίες. Το νέο στοιχείο εδώ είναι η κλίμακα. Τα Z είναι βαριά διανυσματικά μποζόνια και δημιουργούνται στις ακραίες συνθήκες του LHC. Η παρατήρηση δείχνει ότι η ίδια κβαντική δομή επιβιώνει σε σωματίδια με διαφορετικές ιδιότητες από τα φωτόνια και σε ενέργειες πολύ μεγαλύτερες από εκείνες ενός συνηθισμένου πειράματος κβαντικής οπτικής.
Ο στόχος δεν είναι να μετατραπεί ο LHC σε κβαντικό υπολογιστή. Η αξία βρίσκεται στη χρήση εργαλείων της κβαντικής πληροφορίας για ακριβέστερους ελέγχους της σωματιδιακής φυσικής. Ανεπαίσθητες αποκλίσεις από το προβλεπόμενο μοτίβο θα μπορούσαν στο μέλλον να δείξουν αλληλεπιδράσεις που δεν περιλαμβάνονται στο Καθιερωμένο Πρότυπο.
Τι δεν σημαίνει η «απόκοσμη» σύνδεση
Η διάσημη φράση του Αϊνστάιν για «απόκοσμη δράση από απόσταση» συχνά δημιουργεί την εντύπωση ότι η πληροφορία ταξιδεύει στιγμιαία. Η διεμπλοκή, όμως, δεν επιτρέπει την αποστολή ελεγχόμενου μηνύματος γρηγορότερα από το φως. Οι μετρήσεις εμφανίζουν συσχετίσεις που δεν εξηγούνται από μια απλή κλασική περιγραφή, αλλά τα αποτελέσματα πρέπει να συγκριθούν μέσω κανονικής επικοινωνίας.
Στο KIOMOS είδαμε ήδη ένα πείραμα όπου ένα άτομο ακολούθησε δύο διαδρομές ελεύθερης πτώσης ταυτόχρονα και μια τεχνολογία όπου ένα τσιπ συνδυάζει αίσθηση, μνήμη και επεξεργασία. Η μέτρηση του ATLAS πηγαίνει σε άλλη κλίμακα: αντί για ένα ήσυχο εργαστήριο, βρίσκει την κβαντική σύνδεση μέσα στα θραύσματα των ισχυρότερων συγκρούσεων που δημιουργούμε στη Γη.
Δες κ αυτό
Πηγές
- Physical Review Letters — Measurements of Z-Boson Pair Entanglement in Decays of Higgs Bosons at the ATLAS Experiment
- ATLAS Experiment at CERN — Quantum entanglement using Higgs boson decays
- ATLAS Collaboration — πλήρης προδημοσίευση και μεθοδολογία
Φωτογραφία αρχείου: Ramaz Bluashvili / Pexels Πηγή εικόνας
