İlk kez sanal parçacıkların varlığına dair kanıt ortaya çıktı.
CERN'in Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nda şeytani bir şey görüldü. Dünyanın en güçlü parçacık çarpıştırıcısında yayılan enkaz kaskadında bilim insanları, Albert Einstein'ın "uzaktaki şeytani eylem" olarak adlandırdığı fenomen için ikna edici kanıtlar buldu.
Kuantum dolanıklığı çarpıştırıcıda ilk kez saptanmıyor, ancak bu kez durum tamamen yeni. Araştırmacılar, Higgs bozonunun bozunumuyla üretilen bir Z bozonu çiftinde ciddi dolanıklık kanıtları buldu. Spinleri o kadar iç içe geçmiş durumda ki biri diğer olmadan tam olarak tanımlanamıyor.
"İki Z bozonunun spinleri, daha önce ölçülen üst-antüstü örneğinden çok daha fazla bağlı" diyor İspanya Teorik Fizik Enstitüsü'nden fizikçi Juan Antonio Aguilar-Saavedra.
Kuantum dolanıklığı iki parçacığın yapabileceği en tuhaf şeylerden biri. Özellikleri o kadar bağlantılı oluyor ki, devasa bir mesafe ile ayrılsalar bile bağımsız olarak tanımlanamıyorlar. Birinden bir şey ölçtüğünde diğerinden hemen bir şey öğreniyorsun. Kuantum mekaniğinin bu sezgiye aykırı özelliği Einstein'ın onu şeytani olarak nitelendirmesine yol açtı.
Bilim insanları on yıllardır atomlar ve protonlar gibi dolanık parçacıklar üretiyor ve ölçüyor; son yıllarda bunları kuantum iletişim ve kuantum bilgisayarlarda kullanma umuduyla çalışıyorlar.
2024 yılında CERN'deki ATLAS iş birliği, çarpıştırıcıda üretilen üst kuark çiftleri arasında ilk kez kuantum dolanıklığı görüldüğünü duyurdu.
Z bozonları ise işleri biraz farklı yapıyor. Üst kuarkların iki spin durumu var. Z bozonunda üç var. Ya da kuantum bilgi diliyle söylemek gerekirse Z bozonu iki durumlu bir kübit değil, üç durumlu bir kütrit. Spin, parçacığın başka bir parçacıkla etkileşime girebileceği durumudur.
"Ve bu başka önemli bir fark yaratıyor. İlk kez dolanıklık, kütrit olan temel parçacıklarda ölçüldü" diye açıklıyor Aguilar-Saavedra.
Higgs bozonu, protonların büyük hızla çarpışmasıyla oluşturuluyor ve dolanık bir Z bozonu çiftine ulaşmanın en kolay yolu bu.
Higgs bozonunun kendi spini olmadığı için iki Z bozonu her türlü kendi spin kombinasyonuyla ortaya çıkıyor. Bu kombinasyon, geldikleri parçacığın sıfır olan toplam spinini korumalı.
Bunu sağlayacak birkaç yol var ve kuantum mekaniği bu olasılıkların aynı anda var olmasına izin veriyor; sanki iki Z bozonu arasında ortak bir durum varmış gibi. Ve işte bu ortak durumda dolanıklık kendini gösteriyor.
Yine de bir püf noktası var. Higgs bozonunun kütlesi yaklaşık 125 GeV, yani fizikte enerji birimi olarak bir milyar elektronvolt, Z bozonu ise yaklaşık 91 GeV ağırlığında. Ve Higgs'in aynı anda iki gerçek Z bozonu üretmek için yeterli enerjisi yok. Dolayısıyla birinin sanal olması gerekiyor.
Sanal parçacıklar kuantum fiziği standartlarına göre bile tuhaf. Çarpıştırıcıdaki bombardıman sırasında kısa süreliğine ortaya çıkıyorlar, ancak gerçek ikizleri gibi serbest parçacıklar olarak gözlenemiyorlar.
Bu oldukça ilginç bir soruyu gündeme getiriyor. Eğer Z bozonlarından biri sanal ise, gerçekten de kuantum kadar temel bir şey olan dolanıklığa katılabilir mi? Yeni sonuçlar bunun mümkün olabileceğini gösteriyor.
Elbette daha ciddi sorunlar da var. Bir Z bozonu tam olarak 3×10 üzeri eksi 25 saniye varlığını sürdürüyor, sonra bozunuyor. Yani "gerçek" olanı bile spinini doğrudan ölçmek için yeterince gözlenemiyor. Ama izler bırakıyor.
Bozunum sırasında bir Z bozonu iki yüklü parçacık üretiyor; bunlar leptonlar olarak adlandırılıyor, yani elektronlar ya da daha ağır kuzenleri müonlar. Bu, fizikçilere izlerini dedektörde ölçebilecekleri toplam dört parçacık veriyor. Ve bu kritik nokta. Bu dört parçacığın hareket ettiği yönler, geldikleri Z bozonlarının spini hakkında bilgi içeriyor. Böylece araştırmacılar bantı geri sarar gibi çalışıp, onları yaratan Z bozonunun spinini yeniden kurgulayabiliyorlar. Süreç son derece zor. Özellikle bu zincirin bozunumu, bir Higgs'ten iki Z'ye ve ardından dört leptona, son derece nadir. Yıllık çarpıştırıcı verilerinde üzerinde çalışılabilecek yalnızca 400 olay bulundu. Ama şimdilik yeterli.
İki Z bozonunun spinlerini yeniden kurguladıktan sonra fizikçiler dolanıklığı gösteren bir şey arıyor. Ve sonuç bunu doğruluyor. 4,6 sigma seviyesinde. Bu fizikteki ölçek. Buna göre bir keşfi ilan etmek için 5 sigma gerekiyor. Fark son derece küçük.
Bu sınır aşılmamış olsa da sonuçlar, iki Z bozonunun dolanık olduğuna dair yeterince güçlü kanıt olduğunu açıkça gösteriyor.
Deney aynı zamanda sanal Z bozonunun kendisiyle ilgili daha da ilginç bir soruyu da gündeme getiriyor. Fizikçiler sanal parçacıkların gerçekten var olup olmadığından tam emin değiller. Normal parçacıkların aksine gözlenemiyorlar. Bazı bilim insanları onları süreçleri daha doğru tanımlamak için kullanılan bir tür matematiksel hile olarak görüyor.
Ve yine de burada sanal Z bozonu gerçek bir parçacık gibi davranıyor; başka bir Z bozonuyla dolanıklık yaratabilecek bir spin bilgisine sahip.
"Sanal parçacıkların var olup olmadığını sorgulamak normal. Yoksa bunlar sadece şeyleri hesaplamamıza yardımcı olan beynimizin bir uydurması mı?" diyor profesör Aguilar-Saavedra. Sonuçun felsefi soruyu tam olarak yanıtlamadığını uyarıyor, ancak "sanal parçacıkların parçacık olup olmadığı sorusuna biraz ışık tutuyor" diyor. "Ördek gibi yürüyorsa, ördek gibi vaklarsa, karşımızda bir ördektir. Bu durumda sanal bir ördek" diye sonuca bağlıyor.
Deneyin tüm sonuçları Physical Review Letters'ta yayımlandı.
