"عمل شبح آور" انیشتین به تازگی از یکی از شدیدترین آزمایشات فیزیک جان سالم به در برده است

فیزیکدانان دانشگاه آکسفورد به اثبات این موضوع کمک کرده‌اند که یکی از عجیب‌ترین پدیده‌های فیزیک کوانتومی، درهم‌تنیدگی کوانتومی، می‌تواند حتی در میان برخی از سنگین‌ترین و کوتاه‌ترین ذرات تولید شده باقی بماند. این یافته که با برخورد دهنده بزرگ هادرونی قدرتمند سرن انجام شده است، در Physical Review Letters منتشر شده است.

درهم تنیدگی کوانتومی زمانی اتفاق می‌افتد که دو ذره ویژگی‌های مشترکی را به اشتراک می‌گذارند به گونه‌ای که اندازه‌گیری یکی می‌تواند اطلاعاتی را درباره دیگری آشکار کند، حتی زمانی که ذرات از هم جدا شوند. این ارتباط یکی از غیرمعمول‌ترین ویژگی‌های مکانیک کوانتومی است و درک فیزیکدانان از واقعیت را برای دهه‌ها به چالش کشیده است.

آلبرت انیشتین درهم تنیدگی را "عمل شبح وار از راه دور" نامید و دانشمندان قبلا این اثر را در سیستم های شامل فوتون ها، الکترون ها و یون های به دام افتاده مشاهده کرده بودند. درهم تنیدگی همچنین برای چندین فناوری نوظهور از جمله رایانه‌های کوانتومی، شبکه‌های ارتباطی کوانتومی فوق‌ایمن و حسگرهای پیشرفته تبدیل شده است. به عنوان مثال، در محاسبات کوانتومی، درهم تنیدگی اجازه می دهد تا چندین کیوبیت با هم دستکاری شوند و نه یکی در یک زمان، که انجام محاسبات متعدد را به طور همزمان ممکن می سازد.

آزمایش درهم تنیدگی کوانتومی در انرژی های شدید

چیزی که کمتر مشخص بود این بود که آیا درهم تنیدگی می تواند تحت شرایط بسیار شدیدتر از جمله برخوردهای خشن و پرانرژی ذرات تولید شده در سرن زنده بماند یا خیر.

برای بررسی این سوال، یک تیم بین المللی از آزمایش ATLAS در برخورد دهنده بزرگ هادرون (LHC) سرن در نزدیکی ژنو، سوئیس استفاده کردند. به‌جای مطالعه فوتون‌ها یا سایر سیستم‌های کوانتومی با عمر نسبتا طولانی، محققان به دنبال درهم‌تنیدگی بین جفت‌های بوزون Z، ذرات عظیمی که تنها برای کسری کوچک از ثانیه قبل از فروپاشی وجود دارند، پرداختند.

بوزون های Z که در این آزمایش مورد بررسی قرار گرفتند، از تجزیه یک بوزون هیگز، ذره ای که در LHC در سال 2012 کشف شد، به دست آمدند. خود بوزون های هیگز زمانی تولید می شوند که پروتون هایی با سرعت 99.99 درصد نور با انرژی هایی به سیزده تریلیون الکترون ولت برخورد کنند.

اگرچه بوزون‌های Z تقریبا بلافاصله پس از ایجاد ناپدید می‌شوند، آشکارساز ATLAS می‌تواند الکترون‌ها و میون‌های تولید شده در اثر فروپاشی آنها را به دقت اندازه‌گیری کند.

محققان زوایای ظهور آن ذرات را تجزیه و تحلیل کردند و از آن اطلاعات برای بازسازی اسپین های بوزون های Z اصلی استفاده کردند. این به تیم اجازه داد تا تعیین کند که آیا دو بوزون Z همبستگی های مورد انتظار از درهم تنیدگی کوانتومی را نشان می دهند یا خیر.

اندازه‌گیری‌ها شواهد محکمی از این کار ارائه کردند. نتیجه یکی از بالاترین تاییدیه های انرژی درهم تنیدگی کوانتومی است که تاکنون به دست آمده است.

پروفسور آلن بار، یکی از نویسندگان این مطالعه، در دپارتمان فیزیک آکسفورد، از جمله اولین محققانی بود که پیشنهاد کرد که برخورد دهنده های ذرات را می توان برای بررسی درهم تنیدگی کوانتومی در انرژی هایی بسیار فراتر از انرژی های مورد استفاده در آزمایش های کوانتومی سنتی استفاده کرد.

بار، که در ساخت LHC مشارکت داشت، متوجه شد که برخورد دهنده عظیم می تواند اهدافی فراتر از جستجوی ذرات جدید داشته باشد. ایده های او به الهام بخشیدن به آزمایش ATLAS در سال 2023 کمک کرد که درهم تنیدگی بین جفت کوارک های برتر، سنگین ترین ذره بنیادی شناخته شده را نشان داد.

پروفسور بار گفت: "ما عادت کرده‌ایم درهم تنیدگی را چیزی ظریف بدانیم که در آزمایش‌های آزمایشگاهی با فوتون‌های منفرد دیده می‌شود. یافتن آن زنده و سالم در میان ذرات سنگین و کوتاه مدت مانند بوزون‌های Z که در برخی از شدیدترین برخوردهایی که می‌توانیم روی زمین ایجاد کنیم، نشان می‌دهد که چقدر بنیادی و قوی است که این اثر کوانتومی ممکن است به من یادآوری کند که همان اثر کوانتومی عجیب‌تر است. یک روز کامپیوترهای کوانتومی قدرتمند در همه جای طبیعت کار می کنند، حتی در انرژی های شدید برخورد دهنده هادرون بزرگ."

ایده‌های محاسبات کوانتومی با فیزیک ذرات ملاقات می‌کنند

این کار همچنین بخشی از تلاش گسترده‌تر برای آوردن مفاهیم علم اطلاعات کوانتومی (زمینه محاسبات کوانتومی) به فیزیک ذرات پرانرژی است.

محققان امیدوارند با استفاده از ایده‌های توسعه‌یافته برای سیستم‌های کوانتومی در مجموعه داده‌های عظیم تولید شده توسط برخورددهنده‌های ذرات، راه‌های حساس‌تری برای تشخیص الگوهای ظریف ایجاد کنند. این تکنیک‌ها در نهایت می‌توانند اثراتی را نشان دهند که با درک کنونی فیزیکدانان از جهان مطابقت ندارند و به طور بالقوه سرنخ‌هایی در مورد فیزیک فراتر از نظریه‌های موجود ارائه می‌دهند.

در دانشگاه آکسفورد، پروفسور بار یک پروژه میان رشته‌ای بزرگ را با تمرکز بر پایه‌های مکانیک کوانتومی در انرژی‌های بالا هدایت می‌کند. این پروژه رفتار کوانتومی را در مقیاس‌های بسیار کوچک و انرژی‌های بسیار بالا آزمایش می‌کند و در عین حال سؤالات فلسفی ناشی از چنین آزمایش‌هایی را نیز بررسی می‌کند، از جمله آنچه ممکن است در مورد ماهیت واقعی واقعیت آشکار کند.

پروفسور کریس تیمپسون، یکی از همکاران پروژه (دانشکده فلسفه) گفت: «درهم تنیدگی هم امیدوارکننده‌ترین و هم گیج‌کننده‌ترین جنبه واقعیت کوانتومی است؛ این آزمایش‌های برخورددهنده که درهم تنیدگی را تشخیص می‌دهند، مرز جدیدی را در تحقیقات پایه‌های مکانیک کوانتومی نشان می‌دهند».

دانشمندان دانشگاه آکسفورد نیز در ارتقای مداوم آشکارساز ATLAS مشارکت دارند. انتظار می رود همراه با برخورددهنده هادرونی بزرگ با درخشندگی بالا ارتقا یافته، مجموعه داده های بسیار بزرگ تری را فراهم کند و به فیزیکدانان فرصت های جدیدی برای بررسی پدیده های کوانتومی در انرژی های شدید بدهد.

داده‌های اضافی همچنین می‌تواند به محققان اجازه دهد تا تکنیک‌های اطلاعات کوانتومی پیچیده‌تری را در فیزیک ذرات اعمال کنند و به طور بالقوه حساسیت جستجوهای آینده برای پدیده‌های ناشناخته قبلی را افزایش دهند.

پروفسور Daniela Bortoletto (گروه فیزیک، دانشگاه آکسفورد)، که هماهنگ کننده بریتانیا برای تولید ماژول های سیستم پیکسلی آشکارساز ATLAS ارتقا یافته است، گفت: "این اندازه گیری قدرت علمی همکاری ATLAS و قابلیت های منحصر به فرد CERN را نشان می دهد که این رویکردهای جدید در توسعه هادرون بزرگ نقش مهمی را ایفا کرده است. در حال مطالعه پدیده‌های کوانتومی در بالاترین انرژی‌ها، و ما مفتخریم که در تلاشی بین‌المللی که راه‌های جدیدی را برای کشف قوانین اساسی طبیعت باز می‌کند، مشارکت می‌کنیم."

مطالعه "اندازه گیری درهم تنیدگی جفت بوزون Z در واپاشی بوزون های هیگز در آزمایش ATLAS" در Physical Review Letters منتشر شده است.

مواد ارائه شده توسط دانشگاه آکسفورد. توجه: محتوا ممکن است برای سبک و طول ویرایش شود.

پروتئین کمی شناخته شده می تواند به راه جدیدی برای درمان آلزایمر اشاره کند

دانشمندان پروانه ای را کشف کردند که به نظر می رسد به سختی پیر می شود

تنها 20 دقیقه پیاده روی باعث تغییر فوری در روده شد