Запутанность — один из феноменов квантовой механики — создает невидимую связь между двумя объектами, мгновенно передавая состояние с одной на другую, вне зависимости от разделяющего их расстояния. Ученые проводили эксперименты по запутыванию множества объектов, от фотонов и молекул до макроскопических алмазов.

А вот измерение запутанности между другими фундаментальными составляющими материи — кварками — оставалось недоступным. Дело в том, что ни верхние, ни нижнее кварки, составляющие протоны и нейтроны, ни более тяжелые истинные кварки, которые возникают только в высокоэнергетических столкновениях в коллайдерах, нельзя наблюдать в виде свободных частиц.

Несмотря на эти сложности истинный кварк в некотором отношении идеальный кандидат на измерение запутанности. Это самая тяжелая частица из элементарных, ее масса в 184 раза больше, чем у протона. Из-за этого она крайне нестабильна и распадается примерно за 10 в минус 25-й степени секунд. При этом ее спин передается продуктам распада, включая лептоны. Сохранение спина возникает потому, что другие процессы — к примеру, декорреляция спина или образование адронов из кварков и глюонов — длятся на несколько порядков дольше. В результате спин истинного кварка можно оценить по продуктам распада.

В отличие от предыдущих экспериментов по запутыванию истинных кварков, которые предпринимались учеными ранее, этот эксперимент ATLAS отличается тем, что имеет дело с парами на пороговом значении, когда энергии становится достаточно, чтобы создать пары истинных кварков. В этот момент истинные кварки максимально запутанны, рассказывает Physics World.

При помощи данных, полученных проектом ATLAS от столкновений протонов при 13 ТэВ за три года исследований, ученые сравнили показатели углового расстояния, снятые на пороговом значении, с ситуацией, при которой никаких предпосылок к запутанности нет. Это позволило физикам вычислить степень запутанность между парами истинных кварков с достаточной степенью уверенности — на уровне свыше пяти стандартных отклонений.

Результат, который еще не прошел экспертную оценку, показывает, что коллайдеры вроде БАК могут служить лабораториями для изучения фундаментальных проблем квантовой механики. В частности, для исследования различных положений квантовой информации или для проведения аналогичных измерений в других системах, например, бозонах Хиггса. Третья область приложения — междисциплинарная коллаборация для поиска физики за пределами Стандартной модели.

В прошлом году команда физиков из Лаборатории ядерной физики MIT и других научных учреждений обнаружила крайне редкие Х-частицы в кварк-глюонной плазме, созданной Большим адронным коллайдером ЦЕРНа. Эксперимент моделировал самые первые мгновения зарождения нашей Вселенной после Большого взрыва. Ученые надеются таким образом разобраться в до сих пор неизвестной структуре этих частиц.