A kvantumfizika legfurcsább jelensége túlélte a pokoli energiákat

A kvantum-összefonódás a kvantumfizika egyik legkülönösebb jelensége. Két részecske úgy kapcsolódhat egymáshoz, hogy az egyik állapotának mérése információt adhat a másik állapotáról akkor is, ha a részecskék egymástól távol vannak. Albert Einstein ezt annak idején „kísérteties távolhatásnak” nevezte, mivel a jelenség nehezen illeszthető a klasszikus fizikai világképbe.

A Higgs-bozonok nyomában

Az összefonódást korábban fotonok, elektronok és csapdázott ionok rendszerében is megfigyelték. Most azonban a kutatók arra keresték a választ, hogy a jelenség fennmaradhat-e a részecskefizika egyik leghevesebb környezetében.

Ehhez az ATLAS detektor adatait elemezték. A vizsgálat középpontjában két Z-bozon állt, amelyek rendkívül nagy tömegű, ugyanakkor szinte azonnal elbomló részecskék. A Z-bozonpárok egy Higgs-bozon bomlásakor keletkeztek. A Higgs-részecskét 2012-ben fedezték fel az LHC-ben.

A CERN gyorsítójában a protonok a fénysebesség 99,99 százalékával ütköznek, az ütközések energiája pedig elérheti a 13 teraelektronvoltot. Ezekben a folyamatokban a Higgs-bozon rövid időre létrejöhet, majd két Z-bozonra bomolhat.

A részecskék már eltűntek, de a nyomuk megmaradt

A Z-bozonok olyan rövid ideig léteznek, hogy közvetlenül nem lehet őket megfigyelni. Az ATLAS detektor azonban érzékeli azokat az elektronokat és müonokat, amelyek a Z-bozonok bomlásából származnak.

A kutatók ezeknek a részecskéknek a kilépési szögeit elemezték, majd rekonstruálták a Z-bozonok spinjét. A kapott adatok olyan korrelációkat mutattak, amelyek erős bizonyítékot szolgáltatnak arra, hogy a két részecske kvantum-összefonódott állapotban volt.

Alan Barr, az Oxfordi Egyetem fizikaprofesszora szerint az eredmény azt mutatja, hogy az összefonódás nem csupán érzékeny laboratóriumi körülmények között létrehozható különleges állapot. A jelenség a rendkívül nagy tömegű és rövid életű részecskék között, a Földön előállítható egyik legnagyobb energiájú ütközésekben is fennmarad.

A kutató korábban már felvetette, hogy a részecskeütköztetők nemcsak új részecskék keresésére, hanem a kvantummechanika alapvető jelenségeinek vizsgálatára is alkalmasak lehetnek.

A kvantumfizika és az új technológiák találkozása

A kutatás túlmutat a részecskefizikán. A kvantum-összefonódás a kvantumszámítógépek, a biztonságos kvantumkommunikáció és a rendkívül érzékeny szenzorok fejlesztésének egyik alapvető eleme.

A kutatók szerint a kvantuminformációs módszerek részecskefizikai alkalmazása új lehetőségeket teremthet az LHC óriási adatmennyiségének elemzésére is. A finom kvantumhatások pontosabb vizsgálata akár olyan jelenségekre is felhívhatja a figyelmet, amelyek nem magyarázhatók a jelenlegi elméletekkel.

A CERN és az ATLAS detektor fejlesztései tovább növelhetik az ilyen mérések pontosságát. A nagyobb adatmennyiség és a fejlettebb elemzési módszerek révén a fizikusok még szélsőségesebb energiákon vizsgálhatják, hogyan működnek a kvantummechanika törvényei.