Badaczom z CERN udało się zaobserwować splątanie kwantowe między „kwarkami górnymi” przy najwyższych energiach. Po raz pierwszy zgłoszono to we wrześniu 2023 r., a następnie potwierdzono to pierwszą i drugą obserwacją. Pary „kwarków górnych” wytworzone w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) wykorzystano jako nowy układ do badania splątania.
„Kwarki górne” są najcięższymi cząstkami fundamentalnymi. Szybko rozpadają się, przenosząc swój spin na cząstki rozpadu. Orientację spinu kwarka górnego można wywnioskować z obserwacji produktów rozpadu.
Zespół badawczy zaobserwował splątanie kwantowe między „kwarkiem szczytowym” a jego antymaterialnym odpowiednikiem przy energii 13 teraelektronowoltów (1 TeV=1012 eV). Jest to pierwsza obserwacja splątania w parze kwarków (kwark top i antykwark top) i jak dotąd obserwacja splątania o najwyższej energii.
Splątanie kwantowe przy wysokich energiach pozostało w dużej mierze niezbadane. Rozwój ten otwiera drogę do nowych badań.
W kwantowych cząstkach splątanych stan jednej cząstki jest zależny od innych, niezależnie od odległości i ośrodka je oddzielającego. Stan kwantowy jednej cząstki nie może być opisany niezależnie od stanu innych w grupie splątanych cząstek. Każda zmiana w jednej wpływa na inne. Na przykład para elektronu i pozytonu pochodząca z rozpadu mezonu pi jest splątana. Ich spiny muszą się sumować do spinu mezonu pi, stąd znając spin jednej cząstki, znamy spin drugiej cząstki.
W 2022 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki przyznano Alainowi Aspectowi, Johnowi F. Clauserowi i Antonowi Zeilingerowi za eksperymenty ze splątanymi fotonami.
Splątanie kwantowe zaobserwowano w wielu różnych systemach. Znalazło zastosowanie w kryptografii, metrologii, informacji kwantowej i obliczeniach kwantowych.
***
Referencje:
- CERN. Informacja prasowa – Eksperymenty LHC w CERN obserwują splątanie kwantowe przy najwyższej dotychczas energii. Opublikowano 18 września 2024 r. Dostępne na https://home.cern/news/press-release/physics/lhc-experiments-cern-observe-quantum-entanglement-highest-energy-yet
- Współpraca ATLAS. Obserwacja splątania kwantowego z kwarkami szczytowymi w detektorze ATLAS. Nature 633, 542–547 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07824-z
***
| CZĄSTKI PODSTAWOWE – Szybki rzut oka |
| Cząstki elementarne są klasyfikowane na fermiony i bozony na podstawie spinu. |
| [MA]. FERMIONY mają spin w nieparzystych wartościach półcałkowitych (½, 3/2, 5/2, ….). Są to cząstki materii składający się ze wszystkich kwarków i leptonów. – stosuj statystykę Fermiego–Diraca, – mają spin o wartości połowy liczby nieparzystej – przestrzegaj zasady wykluczenia Pauliego, tj. dwa identyczne fermiony nie mogą zajmować tego samego stanu kwantowego ani tej samej lokalizacji w przestrzeni o tej samej liczbie kwantowej. Nie mogą się one obracać w tym samym kierunku, ale mogą się obracać w przeciwnym kierunku  Do fermionów zaliczają się wszystkie kwarki i leptony, a także wszystkie cząstki złożone zbudowane z nieparzystej liczby tychże. - Kwarki = sześć kwarków (kwark górny, dolny, dziwny, powabny, dolny i szczytowy). – Łączą się, tworząc hadrony, takie jak protony i neutrony. – Nie można tego zaobserwować poza hadronami. – Leptony = elektrony + miony + taon + neutrino + neutrino mionowe + neutrino taonowe. – „Elektrony”, „kwarki górne” i „kwarki dolne” – trzy najbardziej podstawowe składniki wszystkiego we wszechświecie. – Protony i neutrony nie są pierwiastkami elementarnymi, lecz składają się z „kwarków górnych” i „kwarków dolnych”, stąd cząstki kompozytowe. Protony i neutrony składają się z trzech kwarków – proton składa się z dwóch kwarków „górnych” i jednego kwarka „dolnego”, natomiast neutron zawiera dwa kwarki „dolne” i jeden „górny”. „Górny” i „dolny” to dwa „smaki” lub odmiany kwarków. - Bariony są złożonymi fermionami zbudowanymi z trzech kwarków, np. protony i neutrony są barionami - Hadrony składają się wyłącznie z kwarków, np. bariony są hadronami. |
| [B]. BOZONY mają spin w wartościach całkowitych (0, 1, 2, 3, ….) – Bozony podlegają statystyce Bosego-Einsteina; mają spin całkowity. – nazwany na cześć Satyendra Nath Bose (1894–1974), który wraz z Einsteinem opracował główne idee leżące u podstaw statystycznej termodynamiki gazu bozonowego. – nie podlegają zasadzie wykluczenia Pauliego, tj. dwa identyczne bozony mogą zajmować ten sam stan kwantowy lub to samo miejsce w przestrzeni o tej samej liczbie kwantowej. Oba mogą wirować w tym samym kierunku, – Bozonami elementarnymi są foton, gluon, bozon Z, bozon W i bozon Higgsa. Bozon Higgsa ma spin=0, podczas gdy bozony cechowania (tj. foton, gluon, bozon Z i bozon W) mają spin=1. – Cząstki złożone mogą być bozonami lub fermionami, w zależności od ich składników. – Wszystkie cząstki złożone z parzystej liczby fermionów są bozonami (ponieważ bozony mają spin całkowity, a fermiony mają nieparzysty spin półcałkowity). – Wszystkie mezony są bozonami (ponieważ wszystkie mezony składają się z równej liczby kwarków i antykwarków). Stabilne jądra o parzystych liczbach masowych to bozony, np. deuter, hel-4, węgiel -12 itd. – Bozony złożone nie podlegają również zasadzie wykluczenia Pauliego. – Kilka bozonów w tym samym stanie kwantowym łączy się, tworząc „Kondensat Bosego-Einsteina (BEC)” |
***
