التشابك الكمي بين "الكواركات العليا" عند أعلى الطاقات المرصودة  

نجح الباحثون في سيرن في رصد التشابك الكمي بين "الكواركات العليا" وفي أعلى الطاقات. وقد تم الإبلاغ عن ذلك لأول مرة في سبتمبر 2023 وتم تأكيده منذ ذلك الحين من خلال ملاحظة أولى وثانية. تم استخدام أزواج "الكواركات العليا" المنتجة في مصادم الهدرونات الكبير (LHC) كنظام جديد لدراسة التشابك. 

"الكواركات العلوية" هي أثقل الجسيمات الأساسية. وهي تتحلل بسرعة وتنقل دورانها إلى جسيمات تحللها. ويمكن استنتاج اتجاه دوران الكوارك العلوي من خلال ملاحظة نواتج التحلل.  

ورصد فريق البحث تشابكًا كميًا بين "كوارك القمة" ونظيره من المادة المضادة عند طاقة 13 تيرا إلكترون فولت (1 تيرا إلكترون فولت = 10).¹²  هذه هي أول ملاحظة للتشابك في زوج من الكواركات (كوارك علوي وكوارك مضاد علوي) وأعلى ملاحظة للتشابك من حيث الطاقة حتى الآن. 

ظلت التشابكات الكمومية عند الطاقات العالية غير مستكشفة إلى حد كبير. ويمهد هذا التطور الطريق لدراسات جديدة.  

في الجسيمات المتشابكة كميًا، تعتمد حالة أحد الجسيمات على الجسيمات الأخرى بغض النظر عن المسافة والوسط الذي يفصل بينهما. لا يمكن وصف الحالة الكمومية لجسيم واحد بشكل مستقل عن حالة الجسيمات الأخرى في مجموعة الجسيمات المتشابكة. أي تغيير في أحد الجسيمات يؤثر على الآخرين. على سبيل المثال، يتشابك زوج الإلكترون والبوزيترون الناتج عن تحلل ميزون باي. يجب أن تضاف دورانهما إلى دوران ميزون باي وبالتالي من خلال معرفة دوران أحد الجسيمات، نعرف دوران الجسيم الآخر.  

في عام 2022، تم منح جائزة نوبل في الفيزياء لألان أسبكت، وجون إف كلوزر، وأنتون زيلينجر لتجاربهم على الفوتونات المتشابكة. 

لقد تم ملاحظة التشابك الكمي في مجموعة واسعة من الأنظمة. وقد وجد تطبيقات في التشفير والقياس والمعلومات الكمومية والحوسبة الكمومية. 

*** 

المراجع:  

1. سيرن. بيان صحفي - تجارب LHC في سيرن ترصد التشابك الكمي عند أعلى طاقة حتى الآن. نُشر في 18 سبتمبر 2024. متاح على https://home.cern/news/press-release/physics/lhc-experiments-cern-observe-quantum-entanglement-highest-energy-yet  

2. تعاون ATLAS. ملاحظة التشابك الكمي مع الكواركات العليا في كاشف ATLAS. مجلة Nature 633، 542–547 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07824-z 

*** 

الجسيمات الأساسية  - نظرة سريعة

يتم تصنيف الجسيمات الأساسية إلى فرميونات وبوزونات بناءً على الدوران.

[أ]. تتمتع الفرميونات بدوران في قيم نصف عددية فردية (½، 3/2، 5/2، ….). وهذه هي جسيمات المادة تحتوي على جميع الكواركات واللبتونات.   - اتبع إحصائيات فيرمي-ديراك،   - لديها دوران نصف عدد صحيح فردي   - الامتثال لمبدأ استبعاد باولي، أي أن اثنين من الفرميونات المتطابقة لا يمكن أن تشغل نفس الحالة الكمية أو نفس الموقع في الفضاء بنفس العدد الكمي. لا يمكن أن تدورا في نفس الاتجاه، لكن يمكنهما الدوران في اتجاهين متعاكسين   تشمل الفرميونات جميع الكواركات واللبتونات، وجميع الجسيمات المركبة المكونة من عدد فردي منها.  - الكواركات = ستة كواركات (أعلى، أسفل، غريب، ساحر، سفلي، وقمة).  - تتحد لتكوين الهادرونات مثل البروتونات والنيوترونات. - لا يمكن ملاحظتها خارج الهادرونات.   - اللبتونات = إلكترونات + ميونات + تاو + نيوترينو + ميون نيوترينو + تاو نيوترينو.    - "الإلكترونات"، و"الكواركات العلوية"، و"الكواركات السفلية"، المكونات الثلاثة الأساسية لكل شيء في الكون.   - البروتونات والنيوترونات ليست أساسية ولكنها تتكون من "كواركات علوية" و"كواركات سفلية" وبالتالي فهي جزيئات مركبةتتكون كل من البروتونات والنيوترونات من ثلاثة كواركات - يتكون البروتون من كواركين "علويين" وكوارك واحد "سفلي" بينما يحتوي النيوترون على كواركين "سفليين" وكوارك واحد "علوي". "العلوي" و"السفلي" هما "نكهتان" أو نوعان من الكواركات.  - الباريونات هي فرميونات مركبة مكونة من ثلاثة كواركات، على سبيل المثال، البروتونات والنيوترونات هي باريونات  - هدرونات تتكون من الكواركات فقط، على سبيل المثال، الباريونات هي هادرونات.

[ب]. البوزونات لها دوران بقيم صحيحة (0، 1، 2، 3، ….)   – تتبع البوزونات إحصائيات بوز-أينشتاين؛ ولها دوران صحيح.   - سميت على اسم ساتيندرا ناث بوس (1894–1974)، الذي قام مع أينشتاين بتطوير الأفكار الرئيسية وراء الديناميكا الحرارية الإحصائية لغاز البوزون.   - لا تتبع مبدأ استبعاد باولي، أي أن بوزونين متطابقين يمكنهما أن يشغلا نفس الحالة الكمومية أو نفس الموقع في الفضاء بنفس العدد الكمومي. ويمكنهما أن يدورا في نفس الاتجاه،   – البوزونات الأولية هي الفوتون، والغلوون، والبوزون Z، والبوزون W، والبوزون هيغز. تدور بوزون هيغز = 0 بينما تدور بوزونات القياس (أي الفوتون، والغلوون، والبوزون Z، والبوزون W) = 1.

[C] الجسيمات المركبة - يمكن أن تكون الجسيمات المركبة عبارة عن بوزونات أو فرميونات اعتمادًا على مكوناتها.  - كل الجسيمات المركبة المكونة من عدد زوجي من الفرميونات هي بوزون (لأن البوزونات لها دوران صحيح والفرميونات لها دوران نصف صحيح فردي).   - جميع الميزونات هي بوزونات (لأن جميعها الميزونات - تتكون من عدد متساوٍ من الكواركات والكواركات المضادة. - النوى المستقرة ذات أعداد الكتلة الزوجية هي البوزونات مثل الديوتيريوم، والهيليوم-4، والكربون-12، إلخ.  - البوزونات المركبة أيضًا لا تتبع مبدأ استبعاد باولي.   - تتجمع عدة بوزونات في نفس الحالة الكمومية لتشكل "مكثف بوز-أينشتاين "(بيك)."

***