В Большом адронном коллайдере обнаружили очередное проявление явления, которое Альберт Эйнштейн когда-то называл «жутким действием на расстоянии».
Квантовую запутанность на коллайдере наблюдают не впервые. Но теперь физики получили первые серьёзные свидетельства того, что она возникает между двумя зет-бозонами, появившимися при распаде бозона Хиггса.
Их спины оказались связаны настолько тесно, что состояние одной частицы невозможно полностью описать независимо от другой.
Квантовая запутанность возникает, когда свойства двух частиц становятся частью единого квантового состояния. Даже если частицы разделить, измерение одной позволяет получить информацию о другой. Именно эта особенность квантовой механики когда-то настолько озадачила Эйнштейна.
Учёные уже десятилетиями создают запутанные фотоны и атомы, а сегодня рассчитывают использовать это явление в квантовой связи и вычислениях. В 2024 году эксперимент АТЛАС на Большом адронном коллайдере впервые зарегистрировал запутанность между парами топ-кварков.
Но зет-бозоны устроены несколько интереснее.
У топ-кварка возможны два состояния спина, а у зет-бозона — три. С точки зрения квантовой информации это уже не двухуровневая, а трёхуровневая система. По словам исследователей, это первый случай измерения запутанности элементарных частиц такого типа.
Бозон Хиггса оказался особенно удобным источником подобных пар. У самого него нет спина, поэтому возникающие при его распаде зет-бозоны не могут получить совершенно произвольные сочетания спинов. Их состояния должны сочетаться так, чтобы сохранялся нулевой спин исходной частицы.
Квантовая механика допускает сразу несколько таких вариантов одновременно. В результате два зет-бозона получают общее квантовое состояние и могут оказаться запутанными.
Но здесь появляется странная деталь.
Масса бозона Хиггса составляет около 125 гигаэлектронвольт, тогда как масса одного зет-бозона — около 91 гигаэлектронвольта. Энергии просто недостаточно, чтобы из бозона Хиггса одновременно появились два обычных зет-бозона.
Поэтому как минимум один из них должен быть виртуальным.
Виртуальные частицы существуют лишь в промежуточных процессах взаимодействия и не могут наблюдаться как свободные частицы. Из-за этого даже среди физиков остаётся вопрос, насколько буквально вообще следует говорить об их «существовании».
Новый эксперимент добавил к этой дискуссии необычную деталь: виртуальный зет-бозон, судя по результатам, способен участвовать в квантовой запутанности.
Непосредственно измерить спины самих зет-бозонов всё равно невозможно. Они существуют всего около трёх десятимиллиардных триллионной доли триллионной секунды, после чего распадаются.
Но после себя они оставляют следы.
В изученных событиях каждый зет-бозон распадался на две заряженные частицы — электроны или мюоны. В итоге детектор регистрировал четыре частицы, а направления их движения содержали информацию о спинах породивших их зет-бозонов.
Физики фактически восстановили предшествующий процесс по конечным продуктам распада и определили, какими должны были быть спиновые состояния исходной пары.
Сложность заключалась ещё и в невероятной редкости нужного сценария: бозон Хиггса должен был распасться на два зет-бозона, а те — на четыре лептона. Несмотря на годы накопления данных, исследователи получили лишь около 400 подходящих событий.
Но этого оказалось достаточно.
В самом чувствительном анализе данные значительно лучше соответствовали запутанному состоянию, чем варианту без запутанности. Статистическая значимость результата достигла 4,7 сигма.
Это совсем немного не дотягивает до традиционного для физики частиц порога в 5 сигма, после которого результат принято официально называть открытием. Поэтому исследователи пока говорят о сильном свидетельстве квантовой запутанности, а не об окончательном открытии.
Особенно интригующей остаётся роль виртуальной частицы.
Виртуальные частицы нельзя непосредственно зарегистрировать, и часть физиков рассматривает их прежде всего как математические элементы, необходимые для описания взаимодействий. Однако в этом эксперименте виртуальный зет-бозон ведёт себя весьма похоже на частицу: он несёт информацию о спине, которая оказывается квантово связанной со вторым зет-бозоном.
Авторы подчёркивают, что эксперимент не решает вопрос о том, насколько «реальны» виртуальные частицы. Но он может дать новые аргументы для этой давней дискуссии.
Как шутливо заметил один из исследователей: если нечто ходит как утка и крякает как утка, возможно, перед нами действительно утка. Только в данном случае — виртуальная.
Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.
