Kvantové provázání je fascinujícím rysem kvantové fyziky – teorie mikrosvěta. Pokud jsou dvě částice kvantově provázány, je stav jedné částice svázán se stavem druhé částice bez ohledu na to, jak daleko jsou od sebe vzdáleny. Tento ohromující jev, který nemá v klasické fyzice obdoby, byl pozorován v nejrůznějších systémech a uplatnil se v důležitých aplikacích, například v kvantové kryptografii a kvantové výpočetní technice.
V roce 2022 byla udělena Nobelova cena za fyziku Alainu Aspectovi, Johnu F. Clauserovi a Antonu Zeilingerovi za převratné experimenty s provázanými fotony. Tyto experimenty potvrdily předpovědi projevů provázanosti, které učinil zesnulý teoretik CERN John Bell, a staly se průkopníky kvantové informatiky.
Toto měření otevírá cestu k dalším potenciálním měřením typicky prováděným v oboru kvantové informace, což může pomoci podrobněji porozumět těmto jedinečným rysům kvantové fyziky a případně pomoci s aplikacemi, jako jsou kvantové počítače nebo kvantová kryptografie
Provázanost zůstává při vysokých energiích, dostupných na urychlovačích částic, jako je Velký hadronový urychlovač (LHC), z velké části neprozkoumána. V článku publikovaném dnes v časopise Nature uvádí kolaborace ATLAS, že se jí poprvé podařilo pozorovat kvantové provázání na LHC mezi elementárními částicemi zvanými top kvarky, a to při dosud nejvyšších energiích. Poprvé ohlásila kolaborace ATLAS podobný výsledek v září 2023 a ten byl následně potvrzen dvěma pozorováními provedenými kolaborací CMS. Tato skutečnost otevřela nový pohled na složitý svět kvantové fyziky.
„Jelikož částicová fyzika má v kvantové mechanice hluboké kořeny, pozorování kvantového provázání v novém systému částic a při mnohem vyšší energii, než bylo dosud možné, je pozoruhodné,“ říká mluvčí ATLAS Andreas Hoecker a dodává: „Otevírá tak cestu k novému zkoumání tohoto úchvatného jevu, a protože naše vzorky dat se stále zvětšují, nabízí široké možnosti zkoumání.“
Týmy ATLAS a CMS pozorovaly kvantové provázání mezi top kvarkem a jeho protějškem z antihmoty. Pozorování jsou založena na nedávno navržené metodě využití párů top kvarků produkovaných na urychlovači LHC jako nového systému pro studium provázanosti.
Top kvark je nejtěžší známou elementární částicí. Obvykle se rozpadá na jiné částice dříve, než se stihne spojit s jinými kvarky, a přenáší tak na tyto produkty rozpadu svůj spin a další kvantové vlastnosti. Ty pak fyzikové detekují a využívají k odvození spinové orientace top kvarku.
Pro pozorování provázanosti mezi top kvarky vybraly kolaborace ATLAS a CMS páry top kvarků z dat z proton-protonových srážek, které se uskutečnily při energii 13 teraelektronvoltů během druhého běhu LHC v letech 2015 až 2018. Hledaly zejména páry, v nichž oba kvarky vznikají současně s nízkou hybností vůči sobě navzájem. V takovém případě se očekává, že spiny obou kvarků jsou silně provázány.
Existenci a stupeň spinového provázání lze odvodit z úhlu mezi směry, v nichž jsou emitovány elektricky nabité produkty rozpadu dvou kvarků. Měřením těchto úhlových separací a po opravě experimentálních efektů, které by mohly měnit naměřené hodnoty, týmy ATLAS a CMS pozorovaly spinovou provázanost mezi top kvarky se statistickou významností větší než pět standardních odchylek.
Ve své druhé studii kolaborace CMS také hledala páry top kvarků, v nichž jsou oba kvarky současně produkovány s vysokou hybností vůči sobě navzájem. V této oblasti se pro velkou část párů top kvarků předpovídá, že relativní pozice a časy rozpadů obou top kvarků jsou takové, že je vyloučena klasická výměna informací částicemi pohybujícími se maximálně rychlostí světla, a CMS tým pozoroval i v tomto případě spinové provázání mezi top kvarky.
„Díky měřením provázanosti a dalších kvantových jevů v novém systému částic a v rozsahu energií, které nebyly dosud dostupné, můžeme testovat standardní model částicové fyziky novými způsoby a hledat náznaky nové fyziky, která se může skrývat za jeho hranicemi,“ říká mluvčí CMS Patricia McBrideová.