«Жуткое действие» в коллайдере: ЦЕРН обнаружил запутанность там, где её не ожидали
В потоке обломков, разлетающихся после высокоэнергетических столкновений в Большом адронном коллайдере, физики обнаружили убедительные свидетельства одного из самых странных явлений квантовой механики. На этот раз «жуткое действие на расстоянии» — так Альберт Эйнштейн называл квантовую запутанность — зафиксировано в месте, где его прежде никто не видел. Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Коллаборация ATLAS нашла первые весомые признаки запутанности между парой Z-бозонов, рождённых при распаде бозона Хиггса. Спины этих частиц оказались связаны настолько тесно, что описать каждую из них по отдельности невозможно.
Что такое квантовая запутанность и почему она важна
Квантовая запутанность — состояние, при котором свойства двух частиц оказываются так тесно связаны, что измерение одной мгновенно даёт информацию о другой, сколько бы расстояния их ни разделяло. Именно это противоречащее интуиции явление Эйнштейн называл «жутким».
Учёные наблюдают и используют запутанность для квантовых вычислений и квантовой связи уже несколько десятилетий. В 2024 году коллаборация ATLAS впервые зафиксировала запутанность между парами топ-кварков в коллайдере. Теперь — новый рубеж.
Принципиальное отличие Z-бозонов от топ-кварков: у кварков есть лишь два возможных состояния спина, тогда как у Z-бозона их три. В терминах квантовой информатики топ-кварк — кубит (двухсостояниевая система), а Z-бозон — кутрит (трёхсостояниевая). Это делает зафиксированную запутанность первым в истории случаем, когда подобное явление измерено для элементарных частиц — кутритов.
Почему это было сложно: виртуальная частица в паре
Для получения запутанной пары Z-бозонов исследователи выбрали редкий путь — распад бозона Хиггса. Хиггс не имеет собственного спина, поэтому два Z-бозона не могут вылететь из него с произвольными комбинациями спинов: их спины должны в сумме давать ноль, что создаёт условия для запутанности.
Однако здесь возникает физическая проблема: масса бозона Хиггса — около 125 ГэВ, а масса Z-бозона — около 91 ГэВ. Просто создать два реальных Z-бозона из распада Хиггса невозможно: не хватает энергии. Значит, один из них должен быть виртуальным.
Виртуальные частицы — особая категория квантовой физики. Они появляются лишь на мгновение во время взаимодействий и не могут быть напрямую обнаружены, а некоторые физики вообще рассматривают их скорее как математический инструмент, чем как реальные объекты.
Новый результат показывает, что описание процесса с участием виртуального Z-бозона сохраняет измеримые квантовые корреляции. Однако это не означает прямого наблюдения виртуальной частицы и не меняет её статус в квантовой теории поля.
Данные на пределе возможного
Ещё одна сложность: цепочка распадов Хиггс → два Z → четыре лептона встречается крайне редко. Из многолетнего массива данных коллайдера исследователи отобрали лишь около 400 подходящих событий. Этого оказалось достаточно.
Статистическая значимость результата составила 4,7 сигма — вплотную к порогу в 5 сигма, который в физике частиц традиционно считается открытием. Это означает сильное свидетельство запутанности, но не окончательно доказанный факт.
Читайте также по теме: квантовой механике без мнимых чисел.
Эксперимент важен тем, что позволяет проверять квантовые корреляции в редком канале распада бозона Хиггса. Авторы подчёркивают необычную роль виртуального Z-бозона в расчётах, но результат следует трактовать как измерение свойств всей системы распада, а не как отдельное обнаружение виртуальной частицы.
