مشاهده درهم‌تنیدگی کوانتومی در بالاترین سطوح انرژی برای اولین بار!

خلاصه خبر:

دانشمندان در برخورددهنده بزرگ هادرونی (LHC) سرن برای اولین بار در تاریخ، درهم‌تنیدگی کوانتومی بین کوارک‌های بالا و همتای ضدماده آن‌ها را در بالاترین سطوح انرژی ثبت‌شده مشاهده کرده‌اند. با استفاده از داده‌های برخورد پروتون-پروتون در انرژی 13 ترا الکترون‌ولت، باهمکاری‌های ATLAS و CMS این درهم‌تنیدگی با تحلیل همبستگی زاویه‌ای محصولات واپاشی جفت‌های کوارک تأیید شد. این دستاورد، مطالعه پدیده‌های کوانتومی را به حوزه‌های انرژی بالا که قبلاً بررسی نشده بودند گسترش داده و فرصت‌های جدیدی برای آزمودن مدل استاندارد فیزیک ذرات فراهم میکند. نتایج منتشرشده مسیرهایی جدید برای بررسی مکانیک کوانتومی در سطوح بنیادین باز میکند و ممکن است راه را برای کشف فیزیک جدید فراتر از مدل استاندارد هموار کند؛ با تأثیراتی بر رایانش کوانتومی، رمزنگاری و فناوری‌ پیشرفته اطلاعات کوانتومی.

توضیحات تکمیلی:

درهم تنیدگی کوانتومی، یکی از ویژگی های اساسی مکانیک کوانتومی، اکنون در بالاترین سطح انرژی ثبت شده مشاهده شده است. همکاری‌های ATLAS و CMS در برخورددهنده بزرگ هادرون (LHC) در CERN با موفقیت درهم‌تنیدگی کوانتومی بین کوارک‌های بالا و همتایان ضدماده آن‌ها، کوارک‌های پادماده، را در برخوردهای پروتون-پروتون با انرژی 13 TeV شناسایی کردند. این کشف که در Nature منتشر شده است، اولین مشاهده درهم تنیدگی بین کوارک ها و در این سطوح انرژی شدید را نشان می دهد و درک ما از پدیده های کوانتومی را تا مرز جدیدی گسترش می دهد.

درهم تنیدگی به پدیده‌ای اطلاق می‌شود که در آن حالت‌های کوانتومی دو ذره به هم مرتبط هستند، به طوری که حالت یک ذره بدون توجه به فاصله بین آنها، مستقیماً بر وضعیت ذره دیگر تأثیر می‌گذارد. درهم تنیدگی که به طور سنتی در سیستم‌هایی مانند فوتون‌ها مشاهده می‌شد، هنوز در چنین مقیاس‌های انرژی بالایی بررسی نشده بود. تاپ کوارک ها، سنگین ترین ذرات بنیادی شناخته شده، فرصتی منحصر به فرد برای بررسی درهم تنیدگی به دلیل واپاشی سریعشان فراهم می کنند. در حالی که آنها معمولاً قبل از ترکیب با کوارک‌های دیگر تجزیه می‌شوند، ویژگی‌های اسپین و کوانتومی آنها به محصولات فروپاشی آنها منتقل می‌شود، که به فیزیکدانان اجازه می‌دهد تا جهت‌گیری اسپین اصلی را استنتاج کنند.

این آزمایش شامل تجزیه و تحلیل جفت کوارک های بالا و پاد بالا بود که در برخورد پروتون-پروتون بین سال های 2015 و 2018 در طول اجرای دوم LHC تولید شدند. محققان با تمرکز بر کوارک‌هایی که با تکانه پایین نسبت به یکدیگر تولید می‌شوند - جایی که به احتمال زیاد اسپین‌های آنها درهم تنیده است - زاویه بین لپتون‌های باردار ساطع شده از کوارک‌های در حال فروپاشی را اندازه‌گیری کردند. این همبستگی زاویه ای در تأیید درهم تنیدگی اسپین با اهمیت آماری بیش از پنج انحراف استاندارد، معیاری برای کشف در فیزیک ذرات، حیاتی بود.

همکاری CMS این تحقیق را با مطالعه جفت‌های کوارک بالا که در تکانه بالا تولید می‌شوند، گسترش داد و درهم‌تنیدگی را حتی در مواردی که تبادل اطلاعات کلاسیک از نظر تئوری غیرممکن است، تأیید کرد. درهم تنیدگی از طریق D قابل مشاهده، با مقدار D = −0.537 ± 0.002 (stat.) ± 0.019 (syst.) اندازه گیری شد، نتیجه ای که به طور قابل توجهی از سناریوهای بدون درهم تنیدگی متفاوت است.

این مشاهدات پیامدهای عمیقی برای فیزیک کوانتوم و فیزیک ذرات به طور یکسان دارد. این نه تنها درهم تنیدگی کوانتومی را در سطوح انرژی بسیار فراتر از آنچه قبلاً به دست آورده بود تأیید می کند، بلکه مسیرهای جدیدی را برای آزمایش مدل استاندارد فیزیک ذرات باز می کند. تشخیص درهم تنیدگی در چنین رژیم پرانرژی نشان می‌دهد که ممکن است فیزیک جدید و ناشناخته‌ای فراتر از مدل استاندارد وجود داشته باشد که فرصت‌های جدیدی را برای بررسی رفتار کوانتومی در حوزه‌های انرژی که قبلاً غیرقابل دسترس بود به دانشمندان ارائه می‌دهد.

علاوه بر این، این یافته‌ها درک ما را از علم اطلاعات کوانتومی، که کاربردهای حیاتی در زمینه‌هایی مانند محاسبات کوانتومی، رمزنگاری و ارتباطات کوانتومی دارد، افزایش می‌دهد. این تحقیق با نشان دادن درهم تنیدگی در یک سیستم ذرات جدید، زمینه را برای مطالعات عمیق تر در زمینه مکانیک کوانتومی در اساسی ترین سطوح فراهم می کند و چشم اندازهای هیجان انگیزی را برای اکتشافات آینده هم در تئوری و هم در عمل فراهم می کند.

با ادامه جمع‌آوری داده ها در LHC، محققان امیدوارند این یافته ها را گسترش دهند، تعاملات کوانتومی پیچیده تر را بررسی کنند و به طور بالقوه فیزیک جدیدی را فراتر از چارچوب های نظری فعلی کشف کنند.

منبع

https://home.cern/news/press-release/physics/lhc-experiments-cern-observe-quantum-entanglement-highest-energy-yet

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