Протоны взрываются — тайна остаётся: БАК поймал кварки, которые помнят всё о своем рождении

Квантовая механика преподносит человечеству новые сюрпризы. Исследователи из Брукхейвенской национальной лаборатории и Университета Стоуни-Брук выяснили , что мощные потоки элементарных частиц, разлетающиеся после столкновений в ускорителе, обладают своеобразной "памятью" о своем рождении. Это свойство может здорово помочь нам в проверке работы будущих квантовых компьютеров. И не только…

Ключом к пониманию феномена стал анализ данных с Большого адронного коллайдера — циклопического ускорителя длиной 27 километров, расположенного под землей на границе Франции и Швейцарии. В его кольце пучки протонов, разогнанные до колоссальных энергий, сталкиваются друг с другом. При этом мельчайшие составляющие этих частиц — кварки и глюоны — врезаются друг в друга и иногда вырываются на свободу.

Однако законы природы не позволяют кваркам существовать поодиночке. Вырвавшись из протона, где их удерживали вместе глюоны, они моментально запускают цепную реакцию: делятся и воссоединяются, порождая каскад новых элементов. Этот лавинообразный процесс, который физики называют фрагментацией, приводит к рождению множества составных частиц — в основном пионов, каонов и протонов. Они вылетают из точки столкновения упорядоченными группами, образуя направленные потоки, или струи.

Связь между начальным моментом рождения струи и итоговым распределением фрагментов долгое время оставалась неуловимой, — поясняет Чарльз Джозеф Наим из Центра передовых исследований в ядерной физике. — Мы впервые показали: характер разлета частиц напрямую зависит от степени квантовой запутанности в момент формирования потока.

Толчком к открытию послужило прошлогоднее исследование Чжоудунмина Ту и Дмитрия Харзеева. Тогда ученые обнаружили: чем сильнее запутаны кварки и глюоны внутри сталкивающихся протонов, тем выше степень "беспорядка" в распределении образующихся частиц. Причем уровень начальной запутанности всегда оказывался максимально возможным.

Нас заинтересовало, сохранится ли подобная закономерность при изучении струй, — рассказывает Ту.

Теоретические расчеты предсказывали: если исходные компоненты максимально запутаны, то должна существовать строгая математическая зависимость между процессом их деления и хаотичностью конечного распределения адронов.

Анализ экспериментальных данных блестяще подтвердил эту гипотезу.

По сути, мы открыли новый квантовый аспект в механизме образования частиц, — подчеркивает Харзеев. — Информация о начальном состоянии системы каким-то образом "записывается" в конечном распределении адронов, несмотря на все промежуточные превращения.

Это свойство квантовой памяти особенно важно для развития вычислительной техники нового поколения. По мере усложнения квантовых компьютеров проверять правильность их работы становится все труднее. Обнаруженный эффект предлагает элегантное решение: сравнивая характеристики струй при разных способах представления одной и той же конфигурации, можно контролировать точность квантовых вычислений.

Джайдип Датта, сотрудник Университета Стоуни-Брук, видит в этом открытии ключ к пониманию фундаментальных законов микромира. Ведь процесс формирования адронов играет важнейшую роль в эволюции Вселенной — именно так возникло вещество в первые мгновения после Большого взрыва.

Следующий шаг будет сделан на строящемся электрон-ионном коллайдере в Брукхейвенской лаборатории. Установка впервые позволит сравнить характеристики струй, возникающих при столкновениях электронов с одиночными протонами и целыми атомными ядрами. Ученые надеются выяснить, как далеко простираются квантовые эффекты внутри ядра и как они влияют на фундаментальные свойства материи.