Pozorování kvantového provázání v systému párů top kvarků

Experiment ATLAS publikoval v roce 2024 v časopise Nature první pozorování kvantového provázání při nejvyšších energiích, a to v systémů párů top kvarků produkovaných v proton-protonových srážkách na urychlovači LHC v laboratoři CERN.

Top kvark se díky své velké hmotnosti (váží více než atom zlata a přitom jde o částici elementární ve stejném smyslu, jako třeba kvarky u a d, které tvoří proton) rozpadá tak rychle, že informace o jeho spinovém stavu je přímo přenesena do úhlového rozdělení jeho rozpadových produktů.

Již dříve byly pozorovány právě korelace mezi spiny top kvarků produkovaných v párech.

Měření kvantového provázání (entanglementu) bylo náročnější, neboť bylo potřeba se omezit na oblast, kde jsou páry top kvarků produkovány blízko energetického prahu, a dále nakalibrovat, s pomocí simulačních nástrojů, pozorovatelnou veličinu D, tzv. “svědka entanglementu”, z detektorové úrovně na úroveň částicovou. Veličina D se měří ze vzájemných úhlů elektronů či mionů, které pocházejí z rozpadů těžkých W bosonů, které zase pocházejí z rozpadů top kvarků. Jako kontrolní vzorky sloužily události, kde je invariantní hmota párů top kvarků výrazně nad prahem, který je roven dvojnásobku hmoty top kvarku, tj. cca 340 GeV/c2.

Teoretické kritérium entanglementu je dáno podmínkou D < -⅓, zatímco v datech bylo změřeno -0.537 s neurčitostí 0.019, tj. 3.6%. Naměřená hodnota je tak více než pět standardních odchylek od teoretického limitu, což znamená pozorování jevu kvantového provázání. Předpovědi teoretických modelů, přesněji generátorů Powheg, předpovídají o něco menší efekt (viz obrázek). Jde ale o modely s konečnou přesností v rámci poruchové kvantové chromodynamiky.

Měření je důležitým testem kvantověmechanického provázání při doposud největší energii, a v exotickém systému těžkých kvarků. Náročná metodologie měření byla dána také skutečností, že v produkci párů top kvarků není možné nastavit počáteční spiny top kvarků podle přání experimentátora.

Odborníci a studenti ze Společné laboratoře optiky se dlouhodobě věnují zkoumání vlastností top kvarku, a to jak ve srážkách proton-proton, tak ve srážkách těžkých iontů.