Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 4 – vyšlo 26. ledna, ročník 22 (2024) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

4/2024

Provázanost byla detekována i u nejtěžších kvarků

Petr Kulhánek

V září 2023 bylo na pravidelné konferenci věnované důležitým výsledkům dosaženým na největším detektoru světa ATLASATLAS – A Toroidal LHC ApparatuS, detektor pro urychlovač LHC s hmotností 7 000 tun umístěný 100 metrů pod zemí. Jde o multifunkční detektor, který je mj. schopen detekovat Higgsovy bosony. Délka zařízení je 44 metrů, magnetické pole cívky vychylující nabité částice 2 T. oznámeno, že bylo pozorováno kvantové provázáníKvantová provázanost – kvantově korelovaný stav systému dvou a více částic, v němž nemá smysl mluvit o stavech jednotlivých složek. Například z provázaného stavu dvojice fotonů nelze vyjádřit stavy jednotlivých fotonů. Měřením provedeným na jedné částici se dozvíme ihned určitou informaci o částici druhé. Je to způsobeno tím, že mají společnou minulost. Někdy se také hovoří o propletených nebo entanglovaných stavech (z anglického entanglement). Provázané stavy se hojně využívají v kvantových technologiích, například v kvantových počítačích, při kvantové teleportaci, u kvantových senzorů a v kvantovém šifrování. páru top kvarků (kvark t a antikvark t). Provázanost je v laboratoři dnes standardně navazována a poté pozorována u fotonů, atomů i celých molekul, ale v tomto případě jde o nejtěžší známou elementární částici a navíc byla provázánost pozorována u páru s dosud největší energií (o 12 řádů vyšší než dosahujeme v laboratorních experimentech). Detektor ATLAS tímto experimentem potvrdil, že patří mezi laboratoře, v nichž se zkoumají základní principy fungování mikrosvěta i stavba kvantové teorie, která se snaží tento svět popsat.

Umělecká vize dvou provázaných top kvarků v experimentu ATLAS.
Zdroj: CERN Document Server, Daniel Dominguez.

CERN – Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, Evropské centrum jaderného výzkumu. Komplex urychlovačů a laboratoří na pomezí Švýcarska a Francie založený v roce 1954. Na výzkumu se podílí 22 členských zemí včetně České republiky. K největším objevům patří detekce polních částic slabé interakce, příprava antivodíku a vytvoření kvarkového-gluonového plazmatu, pralátky, z níž vznikal vesmír. V současné době je zde vybudován největší urychlovač světa – Large Hadron Collider, který byl po závadě na jednom z magnetů opětovně spuštěn na konci roku 2009. V roce 2012 byl na LHC objeven Higgsův boson, poslední částice standardního modelu. V CERNu byl také vynalezen a poprvé použit Web. LHC – Large Hadron Collider. Urychlovač protonů na nominální energie 14 TeV. LHC byl vybudován ve středisku jaderného výzkumu CERN v tunelu po urychlovači LEP II, který má obvod 27 km. Do zkušebního provozu byl uveden v září 2008, ale zanedlouho došlo k poruše na jednom z magnetů. Urychlovač byl opětovně spuštěn v listopadu 2009. Od března 2010 probíhal fyzikální program na energii 7 TeV. V roce 2012 byl na urychlovači objeven Higgsův boson. Provoz na energiích blízkých nominální probíhá od roku 2015. ATLAS – A Toroidal LHC ApparatuS, detektor pro urychlovač LHC s hmotností 7 000 tun umístěný 100 metrů pod zemí. Jde o multifunkční detektor, který je mj. schopen detekovat Higgsovy bosony. Délka zařízení je 44 metrů, magnetické pole cívky vychylující nabité částice 2 T. Kvarky – částice, ze kterých jsou tvořeny těžké částice s vnitřní strukturou (hadrony). Hadrony dělíme na baryony složené ze tří kvarků (například protony a neutrony) a na mezony tvořené kvarkem a antikvarkem (například piony). Kvarky se dělí do tří generací, první tvoří kvarky „d“ (down) a „u“ (up), druhou kvarky „s“ (strange) a „c“ (charm) a třetí kvarky „b“ (bottom nebo beauty) a „t“ (top nebo truth). Kvarky mají neceločíselné (třetinové a dvoutřetinové) elektrické náboje. Jsou také nositeli barevného náboje silné interakce. Kvantová provázanost – kvantově korelovaný stav systému dvou a více částic, v němž nemá smysl mluvit o stavech jednotlivých složek. Například z provázaného stavu dvojice fotonů nelze vyjádřit stavy jednotlivých fotonů. Měřením provedeným na jedné částici se dozvíme ihned určitou informaci o částici druhé. Je to způsobeno tím, že mají společnou minulost. Někdy se také hovoří o propletených nebo entanglovaných stavech (z anglického entanglement). Provázané stavy se hojně využívají v kvantových technologiích, například v kvantových počítačích, při kvantové teleportaci, u kvantových senzorů a v kvantovém šifrování.

Provázanost

Kvantový svět nám přináší mnoho nezvyklých jevů, se kterými se s našimi naučenými stereotypy z makrosvěta jen velmi obtížně smiřujeme. Jedním z takových jevů je kvantová provázanostKvantová provázanost – kvantově korelovaný stav systému dvou a více částic, v němž nemá smysl mluvit o stavech jednotlivých složek. Například z provázaného stavu dvojice fotonů nelze vyjádřit stavy jednotlivých fotonů. Měřením provedeným na jedné částici se dozvíme ihned určitou informaci o částici druhé. Je to způsobeno tím, že mají společnou minulost. Někdy se také hovoří o propletených nebo entanglovaných stavech (z anglického entanglement). Provázané stavy se hojně využívají v kvantových technologiích, například v kvantových počítačích, při kvantové teleportaci, u kvantových senzorů a v kvantovém šifrování.. Dva, zdánlivě samostatné, objekty jsou provázány pupeční šňůrou vlnové funkce a při měření provedeném na jednom objektu se dozvídáme některé informace o objektu druhém a navíc ovlivníme měření prováděná na objektu, u něhož nejsme. Albert Einstein hovořil o „strašidelném působení na dálku“. Počáteční nedůvěra vůči takovému chování přírody, při němž zdánlivě dochází k přenosu informace nekonečnou rychlostí dnes již opadla. Působení na dálku bylo nejen experimentálně prokázáno, ale využíváme ho v řadě současných technologií, ať už jde o kvantové počítače, kvantové šifrování či kvantovou teleportaci. Údiv nad zdánlivě absurdním chováním zmizí, uvědomíme-li si, že ve skutečnosti nejde o dva objekty, ale stále o objekt jediný, který vykazuje nelokální chování. Zdánlivě oddělené celky jsou jen rubem a lícem jedné jediné mince. Za experimenty s provázanými fotony a za průkopnické práce v kvantové informatice byla udělena Nobelova cena za fyziku pro rok 2022 Alainu Aspectovi, Johnu Clauserovi a Antonu Zeilingerovi (viz AB 33/2022).

John Clauser u svého druhého experimentu s kvantově provázanými fotony (1976).
Zdroj: Kalifornská univerzita, Lawrencova národní laboratoř v Berkeley.

Top kvark

Top kvarkKvarky – částice, ze kterých jsou tvořeny těžké částice s vnitřní strukturou (hadrony). Hadrony dělíme na baryony složené ze tří kvarků (například protony a neutrony) a na mezony tvořené kvarkem a antikvarkem (například piony). Kvarky se dělí do tří generací, první tvoří kvarky „d“ (down) a „u“ (up), druhou kvarky „s“ (strange) a „c“ (charm) a třetí kvarky „b“ (bottom nebo beauty) a „t“ (top nebo truth). Kvarky mají neceločíselné (třetinové a dvoutřetinové) elektrické náboje. Jsou také nositeli barevného náboje silné interakce. je nejtěžší částicí z rodiny kvarků a nejtěžší známou elementární částicí vůbec. Objeven byl v roce 1995 na americkém urychlovači TevatronTevatron – synchrotron postavený ve Fermilabu v Batávii, ve státě Illinois. Do zprovoznění LHC v CERN šlo o největší urychlovač tohoto typu na světě, protony a antiprotony byl schopen v  prstenci o obvodu 6,3 km urychlit až na energii 1 TeV. Šlo o kolider, jehož vstřícné svazky měly v těžišťové soustavě energii 1,96 TeV. Tevatron byl dostaven v roce 1983 a stál 120 milionů USD. Další velkou investicí byl hlavní injektor za 290 milionů USD přidaný v letech 1994 až 1999. Provoz Tevatronu byl ukončen v roce 2011., a to nezávisle ve dvou experimentech: D0D-Zero – D0, DØ, DZERO, jeden ze dvou velkých detektorů na urychlovači Tevatron. D0 pracoval již od roku 1992 a zaměstnával přibližně 550 vědců z osmnácti zemí světa. Detektor měl rozměry 9×9×15 m a vážil kolem 5 000 tun. Mezi největší objevy patří objev „b“ (bottom) kvarku, „t“ (top) kvarku a exotických baryonů Ξ_b a částice Ω_b. V posledních letech se na Tevatronu zkoumalo narušení CP symetrie. Pomocí dat z D0 byl výrazně omezen rozsah možných hmotností Higgsovy částice. a CDFCDF – Collider Detector at Fermilab, jeden ze dvou velkých detektorů na urychlovači Tevatron. CDF měl tvar krychle o hraně 12 m a vážil 6 000 tun. Více než 500 fyziků pracovalo na detektoru, kde byly objeveny kvarky „b“ (bottom) a „t“ (top). Dobíhajícím projektem je intenzívní hledání Higgsova bosonu v již nasbíraných datech. Brzy ho ale v množství nasbíraných dat předběhnou experimenty na urychlovači LHC.. Top kvarky zde vznikaly v párech (kvark t, antikvark t) při srážkách protonu a antiprotonu. Takové páry vznikají i na Velkém hadronovém urychlovači (LHCLHC – Large Hadron Collider. Urychlovač protonů na nominální energie 14 TeV. LHC byl vybudován ve středisku jaderného výzkumu CERN v tunelu po urychlovači LEP II, který má obvod 27 km. Do zkušebního provozu byl uveden v září 2008, ale zanedlouho došlo k poruše na jednom z magnetů. Urychlovač byl opětovně spuštěn v listopadu 2009. Od března 2010 probíhal fyzikální program na energii 7 TeV. V roce 2012 byl na urychlovači objeven Higgsův boson. Provoz na energiích blízkých nominální probíhá od roku 2015.) i při srážkách dvou protonů. Top kvark má hmotnost rovnou 184 hmotnostem protonu – jde o bezkonkurenčně nejhmotnější elementární částici. Ihned po svém vzniku se jak kvark t, tak jeho antičásticový partner t rychle (za 10⁻²⁵ sekundy) rozpadají na lehčí elementární částice. Některé z nich se dále a dále rozpadají za vzniku charakteristických výtrysků (kuželů částic letících přibližně stejným směrem). To, zda je vzniklý pár kvarku a antikvarku provázaný, se dá poznat z úhlů, do nich míří nabité částice vylétávající z oblasti vzniku páru tt.

Vznik páru kvarku a antikvarku t při srážce protonu s antiprotonem a následný rozpad
vzniklého páru (Tevatron). Ke stejné situaci dochází i při srážce dvou protonů (LHC).
Zdroj: Fermilab, Tevatron, D0, CDF.

Feynmanovy diagramy popisující vznik páru kvarku a antikvarku t ze dvou gluonů,
nebo z jiného kvarku a antikvarku. Zdroj: CERN, LHC.

Nové experimenty s top kvarky na LHC

Experimenty, na základě nichž došlo k objevu provázanosti top kvarků, probíhaly na urychlovači LHCLHC – Large Hadron Collider. Urychlovač protonů na nominální energie 14 TeV. LHC byl vybudován ve středisku jaderného výzkumu CERN v tunelu po urychlovači LEP II, který má obvod 27 km. Do zkušebního provozu byl uveden v září 2008, ale zanedlouho došlo k poruše na jednom z magnetů. Urychlovač byl opětovně spuštěn v listopadu 2009. Od března 2010 probíhal fyzikální program na energii 7 TeV. V roce 2012 byl na urychlovači objeven Higgsův boson. Provoz na energiích blízkých nominální probíhá od roku 2015. v letech 2015 až 2018. V detektoru ATLASATLAS – A Toroidal LHC ApparatuS, detektor pro urychlovač LHC s hmotností 7 000 tun umístěný 100 metrů pod zemí. Jde o multifunkční detektor, který je mj. schopen detekovat Higgsovy bosony. Délka zařízení je 44 metrů, magnetické pole cívky vychylující nabité částice 2 T. se srážely protony ve vstřícných svazcích s frekvencí 40 milionů srážek za sekundu. Přitom hojně vznikaly páry kvarku t a jeho antikvarku. Při tak obrovském množství srážek byly některé z párů provázané. Přispěl k tomu i fakt, že se protony srážely s lehce nadprahovou energií. Ta je dána nejnižší energií, při které může pár top kvarků vzniknout. V takové situaci má vznikající pár energii především ve formě klidové energie, pohybová je minimální, a je dostatek času k navození provázanosti. Při vyšších energiích šance na provázanost vzniklého páru postupně klesá.

Naměřená data byla vyhodnocována postupně. První předběžné výsledky byly oznámeny už v roce 2021. Definitivní výsledek byl prezentován na pravidelné konferenci kolaborace ATLAS dne 28. září 2023. Statistické vyhodnocení výsledků překročilo hodnotu statistické významnostiStatistická významnost – popisuje výsledek testování statistické hypotézy. V částicové fyzice se statistická významnost vyjadřuje v násobcích směrodatné odchylky σ normálního rozdělení. Za objev je považována statistická významnost vyšší než 5σ, kdy je pravděpodobnost, že je výsledek náhodnou fluktuací, 1:3,5 milionu. σ, která je standardně vědeckou komunitou považována za hranici vědeckého objevu. V době vyjití tohoto bulletinu jsou výsledky podány do časopisu Nature, kde probíhá recenzní řízení. Článek si ale lze již nyní stáhnout ze serveru ArXive Cornellovy univerzity. Dosud nikdy nebyla provázanost pozorována za tak extrémních energií a nový výsledek ukázal, že velké urychlovače mohou sloužit mj. jako laboratoře k výzkumu základních principů mikrosvěta, k nimž provázanostKvantová provázanost – kvantově korelovaný stav systému dvou a více částic, v němž nemá smysl mluvit o stavech jednotlivých složek. Například z provázaného stavu dvojice fotonů nelze vyjádřit stavy jednotlivých fotonů. Měřením provedeným na jedné částici se dozvíme ihned určitou informaci o částici druhé. Je to způsobeno tím, že mají společnou minulost. Někdy se také hovoří o propletených nebo entanglovaných stavech (z anglického entanglement). Provázané stavy se hojně využívají v kvantových technologiích, například v kvantových počítačích, při kvantové teleportaci, u kvantových senzorů a v kvantovém šifrování. samozřejmě patří. A jako malý bonus se ukázalo, že naměřená data se v některých částech lehce odchylují od předpovědi numerických simulací prováděných na základě stávající teorie. Takový výsledek je vždy nejcennější. Fyzik je na jednu stranu rád, když se v experimentech potvrzují stávající teorie, ale je ještě raději, pokud se naměří jakýkoli nesouhlas s teorií, neboť právě to může znamenat cestu k objevu nových jevů či dokonce nové fyziky. Původ odchylek bude proto velmi pečlivě prozkoumán, může to ale samozřejmě trvat roky titěrné práce analytiků.

ATLAS, nějvětší detektor světa na urychlovači LHC (360°video). U deketoru ATLAS pracuje mnoho českých odborníků, proto nepřekvapí čeština, kterou je možné ve videu uslyšet. Zdroj: CERN, YT.

Odkazy