Experimente de inseparabilitate cuantică la ATLAS de la Large Hadron Collider, CERN

Eveniment quark top-antitop

„Acțiunea înfricoșătoare la distanță” este o expresie faimoasă inventată de Albert Einstein pentru a-și exprima disconfortul față de inseparabilitatea cuantică. Inseparabilitatea cuantică este un fenomen din mecanica cuantică în care două sau mai multe particule devin legate astfel încât stările lor cuantice sunt interconectate, indiferent cât de departe se află în spațiu.

Când două particule sunt inseparate, starea unei particule este direct legată de starea celeilalte. De exemplu, dacă măsurați spinul unei particule, știți instantaneu spinul celeilalte particule, chiar dacă se află la ani lumină distanță. Partea „înfricoșătoare” se referă la faptul că aceste particule par să comunice instantaneu. Dacă efectuați o măsurătoare pe o particulă, rezultatul măsurării pe partenerul ei inseparat este corelat într-un mod care sfidează înțelegerea clasică a spațiului și timpului. Acest fenomen pare să încalce principiul localității, care spune că obiectele nu pot fi influențate de obiecte îndepărtate instantaneu (nimic nu poate călători mai repede decât viteza luminii). Cu toate acestea, inseparabilitatea cuantică nu implică transferul de informații în sensul tradițional, deci nu contrazice în mod direct relativitatea.

John Bell a formulat o teoremă în anii 1960 care cuprinde o serie de rezultate strâns legate în fizică, toate care afirmă că mecanica cuantică este incompatibilă cu teoriile locale cu variabile ascunse, având în vedere unele ipoteze de bază despre natura măsurării. Testele experimentale, cum ar fi cele ale lui Alain Aspect în anii 1980, au susținut constant mecanica cuantică și realitatea inseparabilității asupra variabilelor ascunse.

Pe scurt, „acțiunea înfricoșătoare” se referă la conexiunea non-intuitivă, non-locală dintre particulele inseparate, care pare să sfideze fizica clasică, dar este un aspect bine documentat și fundamental al mecanicii cuantice.

În ciuda neliniștii lui Einstein cu privire la acest concept, inseparabilitatea cuantică a fost verificată experimental de multe ori și este fundamentul pentru tehnologii precum criptografia cuantică, teleportarea cuantică și dezvoltarea computerelor cuantice. Inseparabilitatea cuantică a fost observată într-o mare varietate de sisteme și scale de lungime, variind de la microscopic până la macroscopic, dar rămâne în mare parte neexplorată la cele mai înalte scări de energie accesibile.

O echipă de oameni de știință de la ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus), cel mai mare detector de la Large Hadron Collider (LHC) de la CERN, lângă Geneva, a raportat pe 18 septembrie cea mai mare energie observată până în prezent, în evenimentele de quarc top-antitop produse la LHC, folosind un set de date de coliziune proton-proton. ATLAS este cel mai mare experiment cu detector de particule de uz general la LHC, conceput pentru a observa fenomene care implică particule extrem de masive care nu au fost observabile utilizând acceleratorii anterioare cu energie mai mică. Rezultatele au fost publicate în Nature.

„În timp ce fizica particulelor este profund înrădăcinată în mecanica cuantică, observarea inseparabilității cuantice într-un nou sistem de particule și la o energie mult mai mare decât era posibil anterior este remarcabilă”, a declarat Andreas Hoecker, purtător de cuvânt al experimentului ATLAS, într-o declarație, conform lui LiveScience. „Pregătește calea pentru noi investigații asupra acestui fenomen fascinant, deschizând un meniu bogat de explorare, pe măsură ce mostrele noastre de date continuă să crească.”

Acceleratoarele de particule (collider) acționează asupra particulelor fundamentale și interacțiunile lor la cele mai înalte energii accesibile într-un laborator, depășite doar de sursele astrofizice. Acceleratoarele de hadroni oferă un mediu cu adevărat relativist și oferă o varietate bogată de interacțiuni fundamentale, rareori luate în considerare pentru experimentele cu informații cuantice.

Datele brute au fost generate de experimentul ATLAS. Datele derivate care susțin concluziile acestui studiu sunt disponibile de la Colaborarea ATLAS, la cerere. Software-ul de reducere a datelor ATLAS este disponibil la Zenodo (https://doi.org/10.5281/zenodo.4772550). Modelarea și analiza statistică se bazează pe software-ul ROOT și pe modulele sale RooFit și RooStats încorporate, disponibile la Zenodo (https://doi.org/10.5281/zenodo.3895852). Codul pentru configurarea acestor instrumente statistice și pentru procesarea rezultatelor lor este disponibil la cerere.