Les expériences ATLAS et CMS ont observé une intrication entre les quarks top et leurs antiparticules, confirmant ce phénomène aux hautes énergies. Cela ouvre de nouvelles voies pour la recherche quantique, étayées par de grands échantillons de données du LHC et améliorées par des techniques analytiques modernes. Crédit : Issues.fr.com
Deux décennies après la première preuve de photon intrication, les expériences ATLAS et CMS ont observé l'intrication quantique entre les quarks top et leurs antiparticules au Grand collisionneur de hadrons.
Cette avancée confirme l'intrication aux hautes énergies et offre une nouvelle perspective sur la mécanique quantique. Parallèlement, le grand nombre de paires de quarks top produites au LHC permettent des études approfondies, renforcées par des études avancées. apprentissage automatique techniques de mesure de l'intrication de spin et des incertitudes systématiques.
Intrication quantique en physique des particules
Récemment, et environ deux décennies après la première preuve solide d'intrication entre deux photons par Anton Zeilinger et son équipe, les expériences ATLAS et CMS ont rapporté l'observation d'une intrication quantique entre le quark top et son antiparticule produites simultanément au repos au Grand collisionneur de hadrons. .
La confirmation de l'intrication quantique entre les particules fondamentales les plus lourdes, les quarks top, a ouvert une nouvelle voie pour explorer la nature quantique de notre monde à des énergies bien au-delà de ce qui est accessible, par exemple en optique quantique. Dans le même temps, le taux élevé de production de paires de quarks t au LHC fournit un gigantesque échantillon de données sur les quarks t, offrant ainsi une opportunité unique pour ces études.
L'intrication quantique entre les quarks top et les antiparticules a été confirmée au LHC, marquant une avancée significative dans la physique quantique des hautes énergies, étayée par de nombreuses données et des méthodes d'analyse avancées. Crédit : CERN
Le défi d'Einstein pour la mécanique quantique
En mécanique quantique, deux particules sont intriquées si l’on connaît l’état de l’une d’elles en mesurant l’autre. Ceci est vrai même si les deux particules initialement intriquées sont placées très loin l'une de l'autre avant la mesure. C’est ce qu’Einstein appelait « une action effrayante à distance » : bien que l’information ne puisse pas voyager plus vite que la vitesse de la lumière, la deuxième particule est garantie de se trouver instantanément dans un état correspondant lorsque la mesure de la première est effectuée. En 1934, Einstein et ses collaborateurs proposèrent une expérience de pensée qui, selon eux, révélait l'incohérence de la mécanique quantique.
Pour résoudre le paradoxe, ils ont suggéré que notre description de l’intrication est incomplète et qu’il existe d’autres quantités en jeu dans le système auxquelles nous ne pouvons pas accéder expérimentalement. L’intrication serait alors le résultat de notre ignorance de ces variables cachées.
Techniques avancées de mesure de l'intrication
Dans une nouvelle mesure, la collaboration CMS examine, pour la première fois, l'intrication des spins d'un quark top et d'un antiquark top produits simultanément à une vitesse très élevée l'un par rapport à l'autre. Les deux particules sont donc très éloignées l'une de l'autre avant de se désintégrer, c'est-à-dire que leur distance est plus grande que ce que peut couvrir l'information transférée à la vitesse de la lumière. La corrélation entre les spins du quark et de l'antiquark est mesurée en observant les distributions angulaires de leurs produits de désintégration.
L’analyse met en œuvre des méthodes d’apprentissage automatique de pointe pour attribuer correctement les produits de désintégration des (anti)quarks supérieurs et pour améliorer la modélisation des incertitudes systématiques. Les niveaux d'intrication observés, caractérisés par le paramètre ΔEsont représentés sur la figure 1 pour deux régions cinématiques différentes.
Figure 1 : Les niveaux d'intrication observés caractérisés par ΔE sont représentés dans deux régions cinématiques. Les mesures (points) sont représentées avec leurs incertitudes et comparées aux prédictions SM (lignes rouges). Les lignes bleues horizontales correspondent au niveau maximum d'intrication ΔE critique pouvant s'expliquer par l'échange d'informations entre le quark et l'antiquark à la vitesse de la lumière.
Le premier groupe correspond aux quarks top produits avec une impulsion transversale inférieure à 50 GeV, tandis que dans le dernier groupe, les paires de quarks top ont une masse invariante élevée, c'est-à-dire qu'ils se déplacent avec une grande vitesse les uns par rapport aux autres. Le ΔE mesuré est supérieur à 1 dans les deux régions cinématiques, confirmant l'intrication entre les deux particules. Dans le deuxième cas, en particulier, les paires quark t-antiquark se déplacent à une vitesse relative si élevée que dans 10 % des cas seulement, elles auraient une chance de communiquer. Là, l’intrication est nettement supérieure à ΔE critique, qui est le niveau d’intrication qui pourrait s’expliquer par l’échange d’informations via des variables cachées à la vitesse de la lumière. Par conséquent, la mesure montre qu’il existe effectivement une « action effrayante à distance » entre les particules connues les plus lourdes.
Crédit : CERN
