University of Oxford
Fizikçiler, CERN'deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nda Higgs bozonu bozunumları sırasında ağır ve kısa ömürlü Z bozonlarının kuantum dolanıklığına girebileceğine dair güçlü kanıt tespit etti. Sonuç, Einstein'ın "uzaktan ürkütücü eylemi" olarak tanımladığı olgunun laboratuvarda yaratılan en aşırı koşullardan bazılarının altında bile sürdüğünü gösteriyor.
Oxford Üniversitesi'ndeki fizikçiler, kuantum fiziğinin en tuhaf olgularından biri olan kuantum dolanıklığının, şimdiye kadar üretilmiş en ağır ve en kısa ömürlü parçacıklardan bazıları arasında bile sürebileceğini göstermeye yardımcı oldu. CERN'in güçlü Büyük Hadron Çarpıştırıcısı ile yapılan bulgu Physical Review Letters'ta yayımlandı.
Kuantum dolanıklığı, iki parçacığın öyle bir özellik paylaşmasıdır ki birinin ölçümü, parçacıklar ayrılmış olsa bile diğerinin bilgisini ortaya çıkarır. Bu bağlantı kuantum mekaniğinin en karşı sezgisel özelliklerinden biridir ve on yıllardır fizikçilerin gerçeklik anlayışını zorlamaktadır.
Albert Einstein dolanıklığa ünlü şekilde "uzaktan ürkütücü eylem" demişti ve bilim insanları bu etkiyi daha önce fotonlar, elektronlar ve hapsedilmiş iyonlar içeren sistemlerde gözlemlemişti. Dolanıklık aynı zamanda kuantum bilgisayarlar, ultra güvenli kuantum iletişim ağları ve gelişmiş sensörler gibi ortaya çıkan birçok teknolojinin de merkezindedir. Kuantum hesaplamada örneğin dolanıklık, çoklu kübitlerin tek tek değil birlikte manipüle edilmesine izin verir ve bu sayede birden çok hesaplamanın eş zamanlı olarak yapılmasını mümkün kılar.
Testin Aşırı Enerjilerde Kuantum Dolanıklığı
Ne daha az açık olan, dolanıklığın CERN'de üretilen şiddetli, yüksek enerjili parçacık çarpışmaları da dahil olmak üzere çok daha aşırı koşullarda hayatta kalıp kalamayacağıydı.
Bu soruyu araştırmak için uluslararası bir ekip, İsviçre'nin Cenevre yakınlarındaki CERN Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'ndaki ATLAS deneyini kullandı. Araştırmacılar, fotonlar veya diğer nispeten uzun ömürlü kuantum sistemleri yerine, Z bozonu çiftleri arasındaki dolanıklığı aradı. Z bozonları, oluşturulduktan hemen sonra bozunan devasa parçacıklardır ve sadece çok kısa bir süre var olurlar.
Deneyde incelenen Z bozonları, Higgs bozonunun bozunumundan geldi. Higgs bozonu 2012'de LHC'de keşfedildi. Bir Higgs bozonu kısa süreliğine iki Z bozonuna bozunabilir ve bu Z bozonları da elektron veya müon çiftlerine bozunur. Higgs bozonlarının kendisi, ışık hızının yüzde 99,99'unda hareket eden protonların on üç trilyon elektron volt'a ulaşan enerjilerde çarpışmasıyla üretilir.
Geçici Z Bozonları Ardında Kuantum İpuçları Bırakıyor
Z bozonları oluşturulduktan hemen sonra yok olsalar da ATLAS dedektörü, bozunumlarından üretilen elektron ve müonları doğru şekilde ölçebilir.
Araştırmacılar, bu parçacıkların ortaya çıktığı açıları analiz etti ve bu bilgilerden orijinal Z bozonlarının spinlerini yeniden yapılandırdı. Bu da ekibin iki Z bozonunun kuantum dolanıklığından beklenen korelasyonları gösterip göstermediğini belirlemesini sağladı.
Ölçümler bunun güçlü kanıtını verdi. Sonuç, kuantum dolanıklığının şimdiye kadar elde edilmiş en yüksek enerji onaylarından biridir.
Çalışmanın ortak yazarı Oxford Fizik Bölümü'nden Profesör Alan Barr, parçacık hızlandırıcılarının geleneksel kuantum deneylerinde kullanılanların çok ötesindeki enerjilerde kuantum dolanıklığını araştırmak için kullanılabileceğini ilk öneren araştırmacılardan biriydi.
Barr, LHC'nin inşasında yer aldı ve devasa hızlandırıcının yeni parçacık arayışının ötesinde amaçlara hizmet edebileceğini fark etti. Fikirleri, 2023'te en ağır bilinen temel parçacık olan top kuarkı çiftleri arasında dolanıklığı gösteren bir ATLAS deneyine ilham verdi.
Profesör Barr şunları söyledi: "Dolanıklığı tek fotonlarla yapılan laboratuvar deneylerinde kırılgan bir şey olarak düşünmeye alışığız. En ağır ve kısa ömürlü Z bozonları arasında, Dünya'da üretebildiğimiz en şiddetli çarpışmalardan bazılarında yaratılmış halde canlı ve iyi durumda bulmak, bu kuantum etkisinin ne kadar temel ve sağlam olduğunu gösteriyor. Kuantum bilgisayarları bir gün güçlendirebilecek aynı tuhaf kuantum mekaniği kurallarının, Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nın aşırı enerjilerinde bile doğada her yerde iş başında olduğuna dair güzel bir hatırlatma."
Kuantum Bilgi Fikirleri Parçacık Fiziğiyle Buluşuyor
Çalışma aynı zamanda kuantum bilgi bilimi kavramlarını yüksek enerjili parçacık fiziğine taşımaya yönelik daha geniş bir çabanın da parçası.
Araştırmacılar, parçacık hızlandırıcılarının ürettiği büyük veri kümelerine kuantum sistemleri için geliştirilen fikirleri uygulayarak daha ince desenleri tespit etmenin daha duyarlı yollarını yaratmayı umuyor. Bu teknikler sonunda fizikçilerin mevcut evren anlayışına uymayan etkileri ortaya çıkarabilir ve mevcut teorilerin ötesindeki fizik hakkında ipuçları sunabilir.
Oxford Üniversitesi'nde Profesör Barr, yüksek enerjilerde kuantum mekaniğinin temellerine odaklanan büyük disiplinler arası bir projeye eş başkanlık ediyor. Proje, son derece küçük ölçeklerde ve çok yüksek enerjilerde kuantum davranışını test ederken, bu tür deneylerin ortaya çıkardığı felsefi soruları da inceliyor.
Projenin eş başkanı Profesör Chris Timpson Felsefe Fakültesi'nden şunları söyledi: "Dolanıklık kuantum gerçekliğinin en umut verici ve en gizemli yönüdür; dolanıklığı tespit eden bu hızlandırıcı deneyleri, kuantum mekaniğinin temellerinin araştırılmasında yeni bir sınır sunuyor."
CERN Daha Derin Kuantum Testlerine Hazırlanıyor
Oxford Üniversitesi bilim insanları, ATLAS dedektörünün devam eden yükseltmesine de katkıda bulunuyor. Yükseltilmiş Yüksek Parlaklıklı Büyük Hadron Çarpıştırıcısı ile birlikte bu iyileştirmelerin çok daha büyük veri kümeleri sağlayarak fizikçilere aşırı enerjilerde kuantum olgularını araştırmak için yeni fırsatlar vermesi bekleniyor.
Ek veri, araştırmacıların parçacık fiziğine daha sofistike kuantum bilgi teknikleri uygulamalarına da olanak tanıyabilir ve daha önce bilinmeyen olgular arayışının duyarlılığını artırabilir.
Oxford Üniversitesi Fizik Bölümü'nden ve yükseltme ATLAS dedektörünün piksel sistemi modüllerinin üretimi için Birleşik Krallık koordinatörü Profesör Daniela Bortoletto şunları söyledi: "Bu ölçüm, ATLAS iş birliğinin bilimsel gücünü ve CERN Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nın benzersiz yeteneklerini gösteriyor. Oxford araştırmacıları, en yüksek enerjilerde kuantum olgularını incelemek için bu yeni yaklaşımları geliştirmede öncü rol oynadı ve doğanın temel yasalarını keşfetmenin yeni yollarını açan uluslararası bir çabaya katkıda bulunmaktan gurur duyuyoruz."
"Measurements of Z-boson pair entanglement in decays of Higgs bosons at the ATLAS experiment" başlıklı çalışma Physical Review Letters'ta yayımlandı.
