Bozon Higgsa zdradza sekret wirtualnych cząstek. Fizycy: „To wirtualna kaczka”

Jeśli coś chodzi jak kaczka i kwacze jak kaczka… to może być wirtualna kaczka. Detektor ATLAS w CERN-ie ujawnia tajemnicę splątania. Fot. SimonWaldherr, Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

Jak udowodnić, że coś istnieje, skoro nie można tego bezpośrednio zaobserwować? W Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) fizycy właśnie przeprowadzili eksperyment, który może zmienić sposób, w jaki myślimy o granicy między rzeczywistością a matematyczną abstrakcją. Znaleźli jedno z najmocniejszych świadectw splątania kwantowego w parze bozonów Z - z których jeden był cząstką wirtualną, duchem istniejącym tylko na papierze.

Bozon Higgsa jako fabryka splątanych spinów

→ Czytaj też: Promienie kosmiczne zderzone w laboratorium. Modele właśnie legły w gruzach

W sercu gigantycznego detektora ATLAS protony zderzają się z prędkościami bliskimi prędkości światła. Gdy w tych kolizjach rodzi się bozon Higgsa, nie trwa on długo - rozpada się niemal natychmiast. Jedną z możliwych dróg jego rozpadu jest produkcja pary bozonów Z, cząstek przenoszących oddziaływanie słabe. Problem w tym, że masa Higgsa (około 125 GeV) jest zbyt mała, by wyprodukować dwa pełnowartościowe bozony Z o masie 91 GeV każdy. Przynajmniej jeden z nich musi być wirtualny - egzotycznym bytem, który pojawia się tylko na mgnienie oka w równaniach mechaniki kwantowej.

Zespół fizyków pod kierunkiem Juana Antonia Aguilara-Saavedry z Instytutu Fizyki Teoretycznej w Hiszpanii postanowił sprawdzić, czy ta wirtualna cząstka zachowuje się jak prawdziwa w kontekście splątania kwantowego. Okazało się, że tak. „Spiny dwóch bozonów Z są niezwykle silnie splątane, znacznie bardziej niż w przypadku par top-antytop, które zmierzono wcześniej” - tłumaczy Aguilar-Saavedra. To drugie w historii LHC zaobserwowanie splątania między cząstkami elementarnymi, ale pierwsze, w które uwikłany jest wirtualny komponent.

Polowanie na duchy - jak zmierzyć spin czegoś, co znika po 3×10⁻²⁵ sekundy

→ Czytaj też: Wyłączają Wielki Zderzacz Hadronów. Nie po to, by umarł, ale by stać się fabryką

Sam bozon Z, nawet ten rzeczywisty, nie zostawia w detektorze bezpośredniego śladu. Rozpada się na parę leptonów - elektronów lub ich cięższych kuzynów, mionów. Śledząc trajektorie tych czterech cząstek, fizycy mogą odtworzyć orientację spinów macierzystych bozonów. Proces przypomina analizę taśmy magnetofonowej puszczonej od tyłu. Z kierunków lotu leptonów badacze rekonstruują stan kwantowy, który istniał przez ułamek sekundy.

Trudność polega na rzadkości zdarzenia. Łańcuch rozpadu: Higgs → ZZ → 4 leptony, występuje niezwykle rzadko w morzu milionów innych kolizji. Przez lata zbierania danych zespół ATLAS zdołał zgromadzić zaledwie około 400 takich przypadków. Mimo ograniczonej próbki udało się osiągnąć istotność statystyczną sięgającą 4,7 sigma w najbardziej czułym teście. To o włos poniżej progu 5 sigma, wymaganego do ogłoszenia odkrycia, ale wystarczająco, by uznać wynik za mocny dowód.

Wirtualna kaczka - czy matematyka staje się rzeczywistością?

Kluczowa różnica między bozonami Z a wcześniej badanymi kwarkami top tkwi w liczbie stanów spinowych. Top ma dwa stany - w języku informatyki kwantowej jest kubitem. Bozon Z, z trzema możliwymi orientacjami spinu, jest kutritem. To pierwszy raz, gdy splątanie zmierzono dla elementarnych kutritów. Z punktu widzenia obliczeń kwantowych otwiera to nowe możliwości testowania teorii, które wymagają układów o większej liczbie poziomów.

Jednak najbardziej prowokacyjny wniosek dotyczy natury wirtualnych cząstek. Część fizyków traktuje je wyłącznie jako matematyczne narzędzie do obliczania oddziaływań - bez realnego istnienia. Tymczasem badanie ATLAS sugeruje, że wirtualny bozon Z niesie informację o spinie i angażuje się w splątanie tak samo, jak jego rzeczywisty partner. „Można zapytać: czy cząstki wirtualne istnieją, czy są jedynie konstruktem naszych umysłów?” - zastanawia się Aguilar-Saavedra. I od razu odpowiada: „Jeśli coś chodzi jak kaczka i kwacze jak kaczka, to musi być kaczka. W tym przypadku - wirtualna kaczka”.

Eksperyment nie rozstrzyga ostatecznie filozoficznego sporu, ale dodaje paliwa do dyskusji. Jeśli wirtualna cząstka zachowuje się jak rzeczywista w jednym z najbardziej fundamentalnych zjawisk kwantowych, granica między tym, co namacalne, a tym, co istnieje tylko w równaniach, staje się jeszcze bardziej rozmyta. Wyniki opublikowano w Physical Review Letters, a kolejne dane z LHC - po planowanej modernizacji w 2030 roku - mogą przesądzić o tym, czy „wirtualna kaczka” faktycznie pływa w głębinach rzeczywistości.