فیزیک‌دانان ذرات «جادو» را در شتاب‌دهنده بزرگ هادرونی شناسایی کردند

اکنون شتاب‌دهنده بزرگ برای بررسی پدیده‌های کوانتومی، از جمله یک شکل «جادو» در درهم‌تنیدگی کوانتومی، به کار گرفته می‌شود.

مقدمه

در حدود نود میلیون بار در سال، وقتی پروتون‌ها در شتاب‌دهنده بزرگ هادرونی (LHC) به‌هم می‌خورند، در اثر این برخورد یک کوارک تاپ و یک کوارک ضد‑تاپ، که سنگین‌ترین ذرات بنیادی شناخته‌شده‌اند، تولید می‌شوند. در یک تریلیون‌ام از ثانیه قبل از اینکه این ذرات به‌سکانس‌های سبک‌تر تجزیه شوند، آنها به‌سرعت از هم جدا می‌شوند؛ اما همچنان به‌صورت کوانتومی در هم‌تنیده باقی می‌مانند، به این معنا که وضعیت هر ذره به دیگری وابسته است. اگر کوارک تاپ به‌گونه‌ای اندازه‌گیری شود که به یک جهت بچرخد، کوارک ضد‑تاپ باید به‌جهت مخالف بچرخد.

کوارک‌های تاپ ویژگی خاصی دارند. سایر انواع کوارک به‌سرعت به‌هم می‌پیوندند و ذرات مرکبی مانند نوترون‌ها را تشکیل می‌دهند، پیش از این که آشکارسازهای شتاب‌دهنده وضعیت آن‌ها را ثبت کنند. اما کوارک‌های تاپ پیش از ترکیب با دیگر کوارک‌ها تجزیه می‌شوند. ذراتی که از تجزیه آن‌ها به‌وجود می‌آید، حاوی اطلاعاتی دربارهٔ چرخش‌هایشان هستند — یک اثر‌نگاری قابل‌مشاهده از درهم‌تنیدگی آن‌ها.

آزمایش ATLAS در شتاب‌دهنده بزرگ هادرونی برای اولین بار در سال ۲۰۲۳ همبستگی‌های بین کوارک‌های تاپ و ضد‑تاپ را اندازه‌گیری کرد. پس از آن، یک سلسلهٔ دیگر از اندازه‌گیری‌های درهم‌تنیدگی به‌دنبال آمد.

این تلاش‌ها در چارچوب شتاب‌دهنده بزرگ هادرونی تازه‌کار هستند. هفت‌ده سال پس از روشن شدن دستگاه، فیزیک‌دانان ذرات متوجه شده‌اند که می‌توانند از این شتاب‌دهنده برای بررسی چگونگی جریان اطلاعات در سیستم‌های کوانتومی بهره بگیرند — پرسشی که در اصول محاسبات کوانتومی جای دارد. دو حالت چرخش ممکن کوارک‌ها معادل وضعیت‌های ۰ و ۱ یک کیوبیت، واحد اطلاعات کوانتومی، هستند. «این فرایند برخورد اشیاء و تشکیل ذرات جدید را همانند یک پردازشگر کوانتومی می‌پذیرد»، آلن بار، فیزیک‌دانی از دانشگاه آکسفورد که در آزمایش ATLAS مشارکت دارد، گفت. «می‌توانید مجموعه‌ای کاملاً متفاوت از سؤال‌ها را بررسی کنید که در ابتدا شتاب‌دهنده‌ها برای آن‌ها طراحی نشده بودند، اما آنها بسیار توانمند در پرداختن به این سؤال‌ها هستند.»

«می‌توانید مجموعه‌ای کاملاً متفاوت از سؤال‌ها را بررسی کنید که در ابتدا شتاب‌دهنده‌ها برای آن‌ها طراحی نشده بودند، اما آنها بسیار توانمند در پرداختن به این سؤال‌ها هستند.»

آلن بار، دانشگاه آکسفورد

این همگرایی نظریهٔ اطلاعات کوانتومی و فیزیک ذرات «در واقع یک حوزه نوظهور است»، ریجینا دمینا، فیزیک‌دانی از دانشگاه روتچستر که در آزمایش CMS در شتاب‌دهنده بزرگ هادرونی مشغول است، گفت. «هم‌اکنون شبیه به یک جست‌وجوی طلا است.»

یکی از نتایج پر سر و صدا این بهار حاصل شد، وقتی آزمایش CMS «جادوی» یک جفت کوارک تاپ را اندازه‌گیری کرد. در نظریهٔ اطلاعات کوانتومی، جادو ویژگی‌ای در کیوبیت‌های درهم‌تنیده است که حالت آن‌ها را برای شبیه‌سازی در یک کامپیوتر کلاسیک دشوار می‌کند. برای اینکه کامپیوترهای کوانتومی بتوانند الگوریتم‌ها را سریع‌تر از کامپیوترهای کلاسیک اجرا کنند، باید منبعی از حالات جادویی را به عنوان نوعی سوخت دریافت کنند.

«به‌نظر می‌رسد افراد می‌گویند: «ما فقط می‌خواهیم هر سامانهٔ کوانتومی را که در طبیعت جادو داشته باشد پیدا کنیم تا بتوانیم خواص جادو را بررسی کنیم»،» مارتین وایت، فیزیک‌دانی از دانشگاه آدلاید که سال گذشته همراه با کریس وایت، دوقلو یکسان او، اندازه‌گیری جادوی کوارک تاپ را پیشنهاد داد، گفت. «این افزودن به آن فهرست است.»

اندکی جادو

کامپیوترهای کوانتومی می‌توانند برخی الگوریتم‌ها را به‌صورت نمایی سریع‌تر از کامپیوترهای عادی اجرا کنند. این افزایش سرعت بخشی به دلیل درهم‌تنیدگی است که وضعیت‌های ۰ و ۱ کیوبیت‌های مختلف را به‌هم پیوند می‌دهد و شبکه‌ای از امکانات احتمالی ایجاد می‌کند. کامپیوتر کوانتومی می‌تواند تمام حالت‌های ممکن را به‌طور همزمان دست‌کاری کند، نه به‌صورت یکی پس از دیگری.

سطوح بالای درهم‌تنیدگی بین کیوبیت‌ها پیش‌تر به‌عنوان راهی مطمئن برای بهبود عملکرد کامپیوترهای کوانتومی در نظر گرفته می‌شد. «احساس می‌کردم که هر چه درهم‌تنیدگی بیشتر باشد، کامپیوتر کوانتومی‌مان بهتر خواهد شد»، کریس وایت، از دانشگاه کوئین مری، لندن، گفت. اما او افزود: «در حقیقت این تصور به‌طور کامل نادرست است.»

در دههٔ ۱۹۹۰، یک پیشرفت بزرگ در اطلاعات کوانتومی در اثبات قضیهٔ گوتسمن‑نکیل به‌دست آمد. این قضیه نشان داد که برخی از وضعیت‌های کوانتومی بسیار درهم‌تنیده که به‌عنوان حالات استابیلایزر شناخته می‌شوند، می‌توانند به همان اندازه مؤثر بر روی یک کامپیوتر کلاسیک شبیه‌سازی شوند. اگر این حالات را از کیوبیت‌ها بسازیم، هیچ تسریعی در عملکرد نخواهید یافت.

به‌دنبال برتری کوانتومی — توانایی یک کامپیوتر کوانتومی برای پیشی گرفتن از کامپیوترهای کلاسیک در برخی مسائل — فیزیک‌دانان به‌دنبال وضعیت‌های درهم‌تنیده‌ای گشتند که تا حد امکان با حالات استابیلایزر متفاوت باشند. این وضعیت‌ها «حالات جادویی» نامیده می‌شوند. («کلمه‌ای شگفت‌انگیز است»، مارتین وایت گفت، اما پس از بیست سال، احتمالاً دیگر نمی‌توان آن را تغییر داد.)

در سال ۲۰۱۴، فیزیک‌دانان قطعهٔ مفقودی را یافتند که به حالات جادویی توانایی افزایشی کوانتومی می‌بخشد. کلید این موضوع «متن‌پذیری» — یک ویژگی کم‌شناخته از مکانیک کوانتومی — است. متن‌پذیری بیان می‌کند که نتیجهٔ یک اندازه‌گیری کوانتومی به دیگر ویژگی‌هایی که همزمان اندازه‌گیری می‌شوند، وابسته است. این ویژگی‌ها ثابت و پیش از کشف شدن نیستند؛ آنها متن‌پذیرند. حالات استابیلایزر استثنایی این قانون‌اند — می‌توان آنها را به‌عنوان غیرمتن‌پذیر در نظر گرفت و تصور کرد که در هر لحظه مجموعه‌ای کامل از ویژگی‌های قطعی دارند. اما در مورد حالات جادویی، متن‌پذیری اجتناب‌ناپذیر است، که این امر باعث می‌شود شبیه‌سازی کلاسیکی آنها دشوار باشد.

پژوهشگران اطلاعات کوانتومی به‌دنبال روش‌هایی برای تولید و تقویت جادو در سیستم‌های کوانتومی بودند. این موضوع توجه چند فیزیک‌دان ذره‌ای، از جمله مارتین و کریس وایت، را جلب کرد که پرسیدند جادو چگونه در سامانه‌های ذرات بنیادی بروز می‌کند. «ما فکر کردیم، شتاب‌دهنده بزرگ هادرونی یک سامانهٔ کوانتومی است. کوارک‌های تاپ یک سامانهٔ کوانتومی هستند. آیا می‌توانیم به این سامانه نگاه کنیم و ببینیم آیا جادو دارد یا نه؟» کریس وایت گفت.

آن‌ها در اواخر ۲۰۲۴ روشی برای انجام این کار پیشنهاد دادند. این مقاله اولین همکاری آن‌ها بود. «وقتی منتشر شد، واقعاً احساساتی شدم. ما سال‌ها می‌خواستیم با هم کار کنیم»، مارتین وایت گفت.

وقتی دمینا در یک همایش با این دو برادر ملاقات کرد، الهام یافت تا این پیشنهاد را به گروه خود در CMS ارجاع دهد. «آنها دوقلوهای یکسان هستند؛ یکی در بریتانیا مشغول به کار است و دیگری در استرالیا؛ هرچند از هم دورند، همچنان در وضعیت درهم‌تنیده‌ای باقی مانده‌اند»، او افزود.

برای استخراج جادوی کوارک‌های تاپ، CMS حجم عظیمی از داده‌های برخورد را تجزیه و تحلیل کرد و چرخش‌های جفت‌های کوارک تاپ را که در جهات مختلف پراکنده می‌شدند، شمارش کرد. این کار به تیم این امکان را داد تا ماتریس همبستگی چرخشی، توصیف کاملی از همبستگی‌های چرخش ذرات در جهت‌های x، y و z، پر کند. از این ماتریس، فیزیک‌دانان مقدار جادوی را محاسبه می‌کردند.

جفت‌های کوارک درهم‌تنیده در واقع جادو داشتند. اندازه‌گیری CMS نشان داد که مفهوم «جادو» که تا پیشین تنها در حوزهٔ کامپیوترهای کوانتومی مطرح بود، به عرصهٔ فیزیک ذرات راه یافت.

هدف اصلی مطالعهٔ جادو این است که ممکن است کامپیوترهای کوانتومی بهبود یابند، نه اینکه بینش‌های جدیدی دربارهٔ ذرات بنیادی به‌دست آوریم. اما روش‌های حساس توسعه یافته برای انجام چنین اندازه‌گیری دقیقی منجر به کشفی غیرمنتظره شد: فیزیک‌دانان متوجه شدند که گاهی کوارک تاپ و ضد‑تاپ بیش از حد درهم‌تنیده می‌شوند. در این موارد، کوارک‌ها به‌طور شدیدی به‌هم می‌پیوندند تا ذره‌ای تک‌جزئی به نام توپونیوم تشکیل دهند. توپونیوم در سال ۱۹۹۰ پیش‌بینی شد اما «به‌عنوان اثری بسیار ظریف تصور می‌شد» برای یک شتاب‌دهنده مانند LHC قابل‌مشاهده نباشد، به قول مارسل وو، رهبر گروه تحقیقاتی کوارک تاپ در ATLAS.

CMS و ATLAS در مارس و ژوئیه به ترتیب نتایج خود را دربارهٔ توپونیوم منتشر کردند. «این اولین نتیجه ملموس حاصل از تمام این کارهاست»، وو گفت.

موضوعات برای پیگیری

چیزی که برخی فیزیک‌دانان دربارهٔ هم‌پوشانی جدید بین فیزیک ذرات و نظریهٔ اطلاعات کوانتومی هیجان‌انگیز می‌دانند، این است که می‌توانند از شتاب‌دهنده بزرگ هادرونی برای بررسی سؤالات دقیق دربارهٔ درهم‌تنیدگی بهره ببرند.

برای مثال: «پس از تجزیهٔ کوارک تاپ، چه اتفاقی برای سامانهٔ درهم‌تنیده‌تان می‌افتد؟ آیا فرزندان کوارک تاپ همچنان با کوارک ضد‑تاپ درهم‌تنیده می‌مانند؟» واُس پرسید. «نظریهٔ میدان کوانتومی می‌گوید باید همین‌طور باشد، اما تا به‌حال کسی این را آزمون نکرده است.»

آزمایش‌ها ممکن است بینش‌های نوینی دربارهٔ انتقال از حوزهٔ کوانتومی به کلاسیک — یعنی نحوهٔ تغییر یک شیء کوانتومی از وضعیت نامعین به وضعیت قطعی — ارائه دهند. این فرآیند معمولاً هنگام اندازه‌گیری یک شیء کوانتومی رخ می‌دهد، اما در این مورد معما هنگام تجزیهٔ کوارک تاپ به ذرات سبک‌تر پدید می‌آید. ابتدا، کوارک در حالت نامعینی از هر دو جهت چرخش ممکن حضور دارد. وقتی تجزیه می‌شود، گویی کوارک یکی از جهت‌های چرخش را «انتخاب» می‌کند و ذرات تولید شده بر پایهٔ آن جهت حرکت می‌کنند. به‌نظر می‌رسد کوارک تاپ در حین تجزیه‌اش خود را «اندازه‌گیری» می‌کند. «از نظر ریاضی، این معادل یک فرایند اندازه‌گیری است»، بار گفت. این به فیزیک‌دانان زاویهٔ تازه‌ای برای مطالعهٔ گذار کوانتوم‑به‑کلاسیک می‌دهد.

دمینا امیدوار است سؤالاتی دربارهٔ زمان را بررسی کند. «نظریه‌ای وجود دارد که زمان را به‌عنوان یک ویژگی بنیادین طبیعت در نظر نمی‌گیرد، بلکه به‌عنوان یک ویژگی ظهور‑یافته می‌بیند»، او گفت. یکی از مکانیزم‌های مشهور برای این ایده که توسط دان پیج و ویلیام ووتترس در سال ۱۹۸۳ مطرح شد، ادعا می‌کند که کل جهان می‌تواند بی‌زمان و ثابت باشد؛ در حالی که ناظرین داخل جهان می‌توانند تحول زمانی را تجربه کنند. این ادراک از این رو به وجود می‌آید که پیکربندی‌های فضایی مختلف به‌هم پیوسته‌اند با پیکربندی فضایی یک شیء دارای الگوی دوره‌ای، مانند عقربه‌های ساعت. این اثر در سال ۲۰۱۳ با فوتون‌ها نشان داده شد. «رویای من این است که این آزمایش را در سامانه‌ای از ذرات بنیادی انجام دهم تا سازوکار پیج‑ووتترس را به نمایش بگذارم»، دمینا گفت.

سایرین نگران این بودند که این آزمایش‌های کوارک تاپ شاید نتوانند به‌طور قابل‌اعتمادی مکانیک کوانتومی را آزمون کنند. هربرت دراینر، فیزیک‌دانی از دانشگاه بون در آلمان، در دو پیش‌نویس اخیر استدلال کرد که روش به‌صورت دایره‌ای است: برای اندازه‌گیری درهم‌تنیدگی، لازم است حرکت زاویه‌ای ذرات تجزیه‌شده را به چرخش‌های کوارک تاپ و ضد‑تاپ ربط داد. اما «برای تبدیل یکی به دیگری، باید از یک نظریه‌ای استفاده کرد». دراینر افزود: «اگر از مکانیک کوانتومی استفاده کنید، نمی‌توانید خود مکانیک کوانتومی را آزمون کنید.»

این گفتگو همچنان ادامه دارد. برای برخی، این خط آزمایش‌ها نشان می‌دهد که پس از هفت‌ده سال تجربهٔ برخوردها در LHC، نیاز به هدف‌های جدیدی حس می‌شود. «احساس می‌کنیم همیشه دنبال کارهای جدید هستیم»، مارتین وایت گفت.

«تردیدهای زیادی وجود دارد»، وو گفت. اما او افزود: «هنگامی که نخ را می‌کشید، نمی‌دانید چه چیزی به‌دست می‌آورید.»