در کوچک‌ترین سطح، جهان به‌گونه‌ای عجیب کار می‌کند که حتی آلبرت انیشتین هم برای درک آن مشکل داشت. نمونه‌ای از غریبگی در قلمرو کوانتومی – چیزی که در جهان آنطور که ما تجربه می‌کنیم، معادلی ندارد – پدیده درهم تنیدگی کوانتومی است.
در دنیای کلاسیک ما، اگر ایمان در اندونزی سکه پرتاب کند و اولاف در نروژ سکه پرتاب کند، ایمان و اولاف هر دو 50 درصد شانس سر گرفتن و 50 درصد شانس گرفتن دم دارند. نتیجه پرتاب یک سکه تاثیری بر نتیجه دیگری نخواهد داشت.
در دنیای کوانتومی، این لزوماً درست نیست. دو ذره می توانند در هم بپیچند، که در این مورد به این معنی است که سکه ها در نتیجه چرخش آنها به هم متصل می شوند. اگر یکی روی سرها فرود آید، دیگری روی دم فرود می آید و بالعکس. پس اگر ایمان ببیند که سکه‌اش روی سرش فرود می‌آید، فوراً متوجه می‌شود که اولاف دم دارد.
این برای انیشتین غیرممکن به نظر می رسید. مشکل این بود: برای اینکه یک ذره درهم تنیده بر ذره دیگر تأثیر بگذارد، حتی اگر با فاصله زیادی از هم جدا شوند، به نظر می رسد که اطلاعات – شاید نتیجه پرتاب سکه یا تفکیک حالت کوانتومی یک ذره – باید بین آنها سریعتر از سرعت نور
اما درهم تنیدگی کوانتومی، که انیشتین آن را “عمل شبح وار از راه دور” نامید، اکنون یک واقعیت پذیرفته شده در طبیعت است.
Juan R. Muñoz de Nova، فیزیکدان ماده چگال در دانشگاه Complutense مادرید می گوید: درهم تنیدگی کوانتومی متمایزترین نشانه مکانیک کوانتومی است. او می گوید: «این برخلاف شهودی است که ما هر روز داریم. به همین دلیل است که درهم تنیدگی در مکانیک کوانتومی بسیار ذاتی است.
این پدیده توسط محققان در سراسر جهان مشاهده شده است و جایزه نوبل فیزیک 2022 به سه دانشمند برای پیشرفت های تجربی در درک ما از آن اعطا شده است. دانشمندان درهم تنیدگی کوانتومی را از طریق آزمایش‌هایی که شامل الماس‌های ماکروسکوپی و گازهای فوق‌سرد بود، کشف کردند.
در سپتامبر 2023، همکاری ATLAS با استفاده از کوارک‌های برتر تولید شده در برخورددهنده بزرگ هادرونی در سرن، موفقیت دیگری را ایجاد کرد که بالاترین اندازه‌گیری درهم تنیدگی کوانتومی را تا کنون نشان داد. جالب اینجاست که اندازه گیری کمی متفاوت از حد انتظار بود.
وقتی دنیاها با هم برخورد می کنند
در LHC، دانشمندان با انرژی‌های بالا، پروتون‌ها را به سرعت‌های نسبیتی شتاب می‌دهند و آنها را در حدود ۴۰ میلیون بار در ثانیه به یکدیگر برخورد می‌کنند. انرژی این برخوردها می تواند ذرات جدیدی تولید کند و به آزمایشاتی مانند ATLAS اجازه دهد تا خواص آنها را مطالعه کنند.
هنگامی که ذرات در برخورد LHC ایجاد می شوند، برخی از آنها به طور طبیعی در هم پیچیده می شوند. به عنوان مثال: مشخصه ذره ای که قابل اندازه گیری است اسپین آن است. دو ذره که در یک برخورد تولید می شوند می توانند در هم پیچیده شوند به طوری که چرخش مخالف داشته باشند.
یکی از انواع ذرات که دانشمندان در LHC مطالعه می کنند کوارک های بالایی هستند که از هر ذره بنیادی شناخته شده دیگری سنگین تر هستند. به دلیل جرم زیادشان، کوارک های بالایی پس از تولید به سرعت تجزیه می شوند. این واپاشی سریع از فرآیندی که کوارک ها معمولاً طی می کنند، به نام هادرونیزاسیون جلوگیری می کند.
هادرونیزاسیون باعث می شود که کوارک ها کوارک های دیگر را بگیرند و در بسته های کوارکی پایدارتر مانند پروتون ها و نوترون ها ترکیب شوند. این واقعیت که کوارک‌های بالا نمی‌توانند هادرونی شوند، مهم است زیرا زمانی که کوارک هادرون می‌شود، اندازه‌گیری اسپین آن بسیار دشوارتر است.
به جای هادرونی شدن، کوارک های بالایی تجزیه می شوند و انرژی خود را به ذرات کم جرم و پایدارتر منتقل می کنند. آنها چرخش خود را به محصولات پوسیدگی خود منتقل می کنند، که محققان ATLAS می توانند آنها را شناسایی و اندازه گیری کنند. با بازسازی همبستگی‌های اسپین بین جفت‌های کوارک بالا، دانشمندان می‌توانند تأیید کنند که آیا آنها در هم تنیده شده‌اند.
غلبه بر مشکلات
همکاری ATLAS با چالش های بسیاری روبرو شد زیرا آنها این علم را از نظریه به آزمایش رساندند.
بزرگترین مشکل شمارش نوترینو بود. کوارک های بالا به لپتون تجزیه می شوند – برخی از لپتون ها مانند الکترون ها با آشکارساز ATLAS به راحتی قابل تشخیص هستند. با این حال، برخی دیگر عملا نامرئی هستند. نوترینوها که می توانند از کل سیاره بدون هیچ تعاملی عبور کنند، به راحتی از آشکارساز ATLAS بدون برجای گذاشتن اثری فرار می کنند.
وجود آنها را می توان از مقدار انرژی ورودی و خروجی حاصل از برخورد استنباط کرد. اگر انرژی از بین برود، دانشمندان می توانند آن را به نوترینوها نسبت دهند. اما این راه حل ایده آل نیست، زیرا یک جفت کوارک بالایی در حال فروپاشی می تواند بیش از یک نوترینو تولید کند و تنها یک اندازه گیری از کل انرژی برخورد وجود دارد. جیمز هاوارث، مدرس فیزیک در دانشگاه گلاسکو و هماهنگ کننده این تجزیه و تحلیل، می گوید: «ما از برخی بیت های هوشمندانه و کاملاً پیچیده از ریاضیات و برخی هک های تجربی برای اصلاح این موضوع استفاده می کنیم.
دانشمندان برای بازسازی دقیق حرکات جفت‌های کوارک بالا، الزامات سخت‌گیرانه‌ای را برای این برخوردها وضع کردند. حل این مشکل بیشترین زمان را گرفت زیرا بازسازی برای تشخیص درهم تنیدگی بسیار مهم است.
مشکل دوم در خود آشکارساز بود. در اندازه گیری درهم تنیدگی، دانشمندان توجه زیادی به نحوه توزیع محصولات پوسیدگی پس از برخورد داشتند. اما آنها مجبور شدند این کار را به سرعت انجام دهند زیرا نقص در آشکارساز می تواند آزمایش را تحت تأثیر قرار دهد. یوآو آفیک، فیزیکدان دانشگاه شیکاگو و هماهنگ کننده آنالیز، می گوید: «آشکارساز در واقع تا حدودی شکل توزیع مورد علاقه ما را تحریف می کند.
برای مقابله با اعوجاج، همکاران ATLAS از شبیه‌سازی‌هایی برای مدل‌سازی اینکه برخورد بدون اثرات آشکارساز به نظر می‌رسید، استفاده کردند.
مشکل سوم: برای اندازه گیری درهم تنیدگی به صورت تجربی، دانشمندان به راهی برای آزمایش فرضیه های جایگزین با استفاده از داده های مدل شده نیاز داشتند. نحوه ساخت شبیه سازی ها، آزمایش سناریوهای مختلف دشوار بود.
با کمک د نوا، که به عنوان یک نظریه پرداز در طول تجزیه و تحلیل همکاری کرد، محققان یک روش وزن دهی در مدل ایجاد کردند که به آنها اجازه می داد توزیع محصولات پوسیدگی را تغییر دهند. به این ترتیب، آنها می توانند فرضیه های مختلفی را آزمایش کنند که در نهایت نشان می دهد که آیا درهم تنیدگی در سیستم وجود دارد یا خیر.
یک یافته غیرمنتظره
پس از سه سال آزمایش و تجزیه و تحلیل طاقت فرسا، همکاری با ATLAS به نتیجه ای ارزشمند و در عین حال گیج کننده رسیده است. آفیک می‌گوید: «آنچه ما دریافتیم این است که داده‌های ما درهم تنیدگی قوی‌تر از آنچه از شبیه‌سازی‌ها انتظار می‌رفت را نشان می‌دهد.
فیزیکدانان ممکن است تفاوت ذاتی بین پیش بینی و واقعیت را کشف کرده باشند که به سوءتفاهم در نظریه درهم تنیدگی کوانتومی اشاره دارد. یا ممکن است نشانه این باشد که چیزی در تحلیل باید تغییر کند. هاوارث توضیح می دهد که شبیه سازی ها ممکن است به طور کامل منطقه ای را که در آن برخورد رخ می دهد توصیف نکند، بنابراین مدل سازی ممکن است ناقص باشد.
صرف نظر از اینکه آیا اندازه‌گیری در نهایت با پیش‌بینی‌ها مطابقت دارد یا خیر، هنوز هم بالاترین انرژی تشخیص درهم تنیدگی کوانتومی و اولین اندازه‌گیری درهم‌تنیدگی بین یک جفت کوارک است.
د نووا می‌گوید: «ما هرگز درهم‌تنیدگی در چنین سیستم نسبیتی پرانرژی مانند LHC را ندیده‌ایم، بنابراین این مانند گشودن دنیای جدیدی برای اطلاعات کوانتومی است.»
