ЦЕРН обнаружил квантовую запутанность в частицах, рожденных из бозона Хиггса

Фото из открытых источников

В Большом адронном коллайдере ЦЕРН обнаружено нечто странное. В каскаде обломков, выбрасываемых в результате высокоэнергетических столкновений в самом мощном в мире ускорителе частиц, физики обнаружили убедительные доказательства явления, которое Альберт Эйнштейн метко назвал «жутким действием на расстоянии». Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Это не первый случай обнаружения квантовой запутанности на Большом адронном коллайдере, но на этот раз — в новом месте.

Теперь ученые обнаружили первые убедительные доказательства запутанности между парой Z- бозонов, образовавшихся при распаде бозона Хиггса, — их спины настолько неразрывно связаны, что один из них не может быть полностью описан без другого.

«Спины двух Z-бозонов чрезвычайно запутаны, значительно сильнее, чем в случае топ-антитоп, измеренном ранее», — заявил физик Хуан Антонио Агилар-Сааведра из Института теоретической физики в Испании.

Квантовая запутанность — одно из самых странных явлений, которые могут происходить между двумя частицами. Это происходит, когда их свойства становятся настолько тесно взаимосвязанными, что их больше нельзя описать независимо друг от друга, даже если они разделены огромными расстояниями.

Измерив какие-либо параметры одной из частиц, вы мгновенно узнаете что-то и о другой. Именно эта глубоко противоречащая интуиции особенность квантовой механики побудила Эйнштейна дать ей «жуткое» описание.

Ученые десятилетиями занимаются получением и измерением запутанных частиц, таких как атомы и фотоны, а в последнее время надеются использовать их для квантовой связи и квантовых вычислений. 

В 2024 году коллаборация ATLAS сообщила о первом наблюдении квантовой запутанности между парами топ-кварков, образованных на Большом адронном коллайдере. 

Z-бозоны ведут себя несколько иначе. В отличие от топ-кварков, которые имеют два возможных спиновых состояния, Z-бозоны имеют три — различие, которое на языке квантовой информации делает Z- бозон кутритом, а не двухсостоятельным кубитом.

«И это вносит еще одно важное отличие, поскольку это первый случай измерения запутанности с помощью элементарных частиц, являющихся кутритами», — пояснил Агилар-Сааведра.

Бозон Хиггса, образующийся в результате столкновения протонов на высоких скоростях, является особенно полезным путем к паре запутанных Z-бозонов. Поскольку бозон Хиггса не имеет собственного спина, два Z-бозона не могут просто возникнуть с любой случайной комбинацией спинов. Их спины должны совпадать таким образом, чтобы сохранить нулевой спин частицы, из которой они произошли.

Это может произойти несколькими способами, и квантовая механика допускает одновременное существование этих возможностей в виде общего состояния между двумя Z-бозонами. Именно это общее состояние может привести к их запутанности.

Однако есть один нюанс. Масса бозона Хиггса составляет около 125 ГэВ, а масса Z-бозона — около 91 ГэВ. Просто недостаточно энергии, чтобы бозон Хиггса одновременно породил два обычных Z-бозона.

Поэтому как минимум один из них должен быть виртуальным.

Виртуальные частицы странны даже по меркам квантовой физики. Они мимолетно возникают во время столкновений на коллайдерах, но их нельзя наблюдать как свободные частицы, как это возможно с их «реальными» аналогами.

Это поднимает интригующий вопрос: если один из Z-бозонов в паре является виртуальным, может ли он все еще участвовать в таком фундаментально квантовом явлении, как квантовая запутанность? Новый результат предполагает, что может.

Конечно, есть еще одна загвоздка в коллайдере – Z-бозон существует всего около 3 х 10⁻²⁵ секунд, прежде чем распадется. Даже «настоящий» Z-бозон не задерживается достаточно долго, чтобы измерить его спин напрямую.

Но Z-бозоны оставляют после себя подсказки.

В ходе распадов, изученных коллаборацией, каждый атом Z производит две заряженные частицы, называемые лептонами — либо электроны, либо их более тяжелые аналоги, мюоны. Это дает физикам четыре частицы, траектории которых через детектор они могут измерить.

И в этом вся суть – направления движения этих четырех частиц содержат информацию о спинах Z-бозонов, которые их породили.

Исследователи могли бы, подобно перемотке ленты, работать в обратном направлении, чтобы восстановить спины распадов Z-бозона, которые их породили, — процесс, в котором существует огромная пропасть между «сказанным» и «сделанным».

Отчасти это объясняется тем, что конкретная цепочка распадов — бозон Хиггса на два Z-бозона и на четыре лептона — невероятно редка. Даже имея многолетние данные о столкновениях частиц, исследователи располагали лишь примерно 400 событиями, на основе которых можно было работать.

Но этого было достаточно. Используя реконструированные спины Z-бозонов, исследователи искали признаки запутанности — закономерность, которую можно обнаружить в данных ATLAS. Результаты убедительно указывали на наличие запутанности.

В ходе наиболее чувствительного теста команда обнаружила, что данные свидетельствуют в пользу запутанного состояния по сравнению с незапутанным вариантом со статистической значимостью 4,7 сигма – что невероятно близко к пороговому значению в 5 сигма, которое физики элементарных частиц традиционно требуют перед объявлением открытия.

Хотя результат и не совсем соответствует этому критерию, он представляет собой убедительное доказательство того, что два Z-бозона действительно были запутаны. Но этот эксперимент также поднимает другой, более интригующий вопрос о самой виртуальной букве Z.

Физики не пришли к единому мнению относительно того, что значит «существовать» виртуальная частица. В отличие от обычных частиц, виртуальные частицы нельзя наблюдать напрямую; некоторые физики рассматривают их в первую очередь как математические составляющие, используемые для описания взаимодействий.

Однако здесь виртуальная частица Z ведет себя поразительно подобно частице — она несет информацию о спине, которая может запутаться с другой частицей Z.

«Можно задаться вопросом: существуют ли виртуальные частицы, или же это конструкция нашего разума, которую мы используем для вычислений?» — сказал Агилар-Сааведра.

Он предостерег, что результат не решает этот философский вопрос, но сказал, что он может «немного пролить свет на то, являются ли виртуальные частицы частицами или нет».

«Если оно ходит как утка и крякает как утка, значит, перед нами утка», — сказал он. «В данном случае, это виртуальная утка».