W znacz?cym kroku naprzód dla fizyki cz?stek, naukowcom uda?o si? po raz pierwszy zaobserwowa? spl?tanie kwantowe mi?dzy kwarkami. Odkrycie to, dokonane przez zespó? pracuj?cy w CERN w europejskim laboratorium fizyki cz?stek niedaleko Genewy, mo?e otworzy? nowe mo?liwo?ci bada? kwantowych w obszarze cz?stek o wysokich energiach.
Spl?tanie kwantowe, które od dziesi?cioleci badane by?o w kontek?cie cz?stek takich jak elektrony i fotony, oznacza stan, w którym dwie cz?stki trac? swoj? indywidualno?? i nie mog? by? opisywane osobno. Zjawisko to, chocia? dobrze znane w ?rodowiskach o niskiej energii, takich jak komputery kwantowe, okaza?o si? wyj?tkowo trudne do zaobserwowania w wysokoenergetycznych warunkach Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC). Zderzenia cz?stek, takie jak protony, s? bowiem niezwykle „g?o?ne”, co utrudnia precyzyjne pomiary spl?tania.
Prze?omowy eksperyment w LHC
Aby dokona? tego prze?omowego odkrycia, fizycy z detektora ATLAS przeanalizowali miliony par kwarków górnych i antygórnych – najci??szych znanych cz?stek podstawowych. To w?a?nie w tych parach uda?o si? znale?? statystycznie przekonuj?ce dowody na spl?tanie. Wyniki eksperymentu zosta?y szczegó?owo opisane we wrze?niowym wydaniu czasopisma Nature. Niezale?nie, drugi zespó? badawczy pracuj?cy nad detektorem CMS potwierdzi? podobne wyniki, które opublikowano w czerwcu na serwerze arXiv.
“To bardzo interesuj?ce odkrycie, poniewa? po raz pierwszy mo?emy bada? spl?tanie w warunkach najwy?szych energii osi?ganych w LHC” – mówi Giulia Negro, fizyk cz?stek z Uniwersytetu Purdue, zaanga?owana w badania CMS. Cho? standardowy model fizyki cz?stek przewiduje istnienie spl?tania, dopiero teraz uda?o si? je bezpo?rednio zmierzy? w tak trudnych warunkach.
Trudno?ci i sukces eksperymentalny
Sam pomiar spl?tania w zderzaczu LHC by? wyj?tkowym wyzwaniem. Pary kwarków górnych, które powstaj? w wyniku zderzenia protonów, ?yj? niezwykle krótko – zaledwie 10^-25 sekundy, po czym rozpadaj? si? na inne cz?stki. Naukowcy musieli opracowa? specjalne metody, aby zmierzy? ich kwantowe w?a?ciwo?ci, takie jak spin, zanim ulegn? one hadronizacji – procesowi, w którym kwarki tworz? nowe cz?stki, jak protony i neutrony.
Jak wyja?nia James Howarth z Uniwersytetu w Glasgow, sukces eksperymentu zale?a? od bardzo krótkiego czasu ?ycia kwarków górnych, które rozpadaj? si? zbyt szybko, aby dosz?o do mieszania spinów. Dzi?ki temu badacze mogli dok?adnie zmierzy? spin produktów rozpadu i wywnioskowa? w?a?ciwo?ci kwarków macierzystych. Wykorzystali parametr D, by opisa? stopie? korelacji spinów – je?eli D jest mniejsze ni? -1/3, oznacza to, ?e kwarki s? spl?tane. Zarówno eksperyment ATLAS, jak i CMS osi?gn??y wynik poni?ej tej granicy, potwierdzaj?c spl?tanie.
Perspektywy na przysz?o??
Obserwacja spl?tania kwantowego przy wysokich energiach ma potencja? wp?yni?cia na dalsze badania nad fizyk? kwarków górnych i mo?e prowadzi? do nowych eksperymentów w zakresie cz?stek fundamentalnych. Naukowcy sugeruj?, ?e podobne badania mog?yby obj?? inne cz?stki, takie jak bozon Higgsa, a nawet umo?liwi? przeprowadzenie testu Bella, bardziej rygorystycznej próby spl?tania kwantowego.
Eksperymenty te mog? przyczyni? si? do g??bszego zrozumienia mechaniki kwantowej na poziomie fundamentalnym. Jak zauwa?a Yoav Afik, fizyk z Uniwersytetu w Chicago, to odkrycie mo?e zmieni? sposób, w jaki fizycy podchodz? do bada? kwantowych przy wysokich energiach. Na pocz?tku trudno by?o przekona? spo?eczno?? naukow?, ?e warto inwestowa? czas w badanie spl?tania w tych warunkach, ale teraz staje si? to nowym obszarem bada?.
Odkrycie spl?tania kwantowego w kwarkach górnych to nie tylko sukces eksperymentalny, ale równie? szansa na rozwój przysz?ych bada? w dziedzinie fizyki cz?stek o najwy?szych energiach.
