Μεγάλη ανακάλυψη στο πείραμα ATLAS του CERN

Oι κβαντικές αποκαλύψεις στη Γενεύη, είναι το μεγάλο νέο για τους φυσικούς ανά τον κόσμο.

Ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC), χρησιμοποιείται εδώ και χρόνια για τη μελέτη της συμπεριφοράς των σωματιδίων σε πολύ υψηλές ενέργειες, προκειμένου να ανακαλυφθούν νέα φαινόμενα και να κατανοήσουμε καλύτερα τους νόμους της φυσικής.

Αυτός ο επιταχυντής, όπου πραγματοποιήθηκε ένα από τα μεγαλύτερα πειράματα στην ιστορία της φυσικής, κυοφορούσε εκπλήξεις. Οι ερευνητές του πειράματος ATLAS, παρατήρησαν για πρώτη φορά διεμπλοκή ανάμεσα σε ζεύγη top κουάρκ, δηλαδή σε τόσο βαριά σωματίδια, υπό ακραίες συνθήκες υψηλής ενέργειας. Η ανακάλυψη αυτή είναι εξαιρετικά σημαντική, καθώς αποδεικνύει ότι η διαπλοκή δεν είναι ένα φαινόμενο που περιορίζεται μόνο σε συστήματα χαμηλής ενέργειας, όπως τα φωτόνια, αλλά μπορεί να εμφανιστεί και σε πολύ πιο περίπλοκα και ενεργειακά απαιτητικά συστήματα.

ΤΙ ΣΗΜΑΙΝΕΙ ΑΥΤΗ Η ΑΝΑΚΑΛΥΨΗ ΓΙΑ ΤΟ ΜΕΛΛΟΝ

Αν και η διεμπλοκή ( αποκαλούμενη και κβαντικός εναγκαλισμός) στα top κουάρκ δεν είναι κάτι που μπορεί να χρησιμοποιηθεί άμεσα για την ανάπτυξη νέων τεχνολογιών, όπως οι κβαντικοί υπολογιστές, η ανακάλυψη αυτή ανοίγει νέες προοπτικές για τη μελέτη της κβαντικής φυσικής. Τα top κουάρκ προσφέρουν ένα νέο πεδίο για τη μελέτη φαινομένων που ίσως να μας οδηγήσουν σε νέες αποκαλύψεις για τη φυσική, πέρα από αυτήν που γνωρίζουμε σήμερα.

Η μελέτη αυτών των σωματιδίων μπορεί να μας δώσει στοιχεία για νέες δυνάμεις ή νέες αλληλεπιδράσεις στη φύση, κάτι που μπορεί να αλλάξει τον τρόπο που κατανοούμε τον κόσμο γύρω μας.

ΔΙΕΜΠΛΟΚΗ: ΕΝΑ ΠΑΡΑΞΕΝΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΤΗΣ ΚΒΑΝΤΙΚΗΣ ΦΥΣΙΚΗΣ

Η κβαντική φυσική, ο κλάδος της φυσικής που ασχολείται με τα πιο μικροσκοπικά σωματίδια του σύμπαντος, μας έχει προσφέρει την παρατήρηση ορισμένων από τα πιο παράξενα φαινόμενα που μπορεί κανείς να φανταστεί. Ένα από αυτά είναι η “διεμπλοκή” (entanglement), που δεν σχετίζεται με όσα ως λέξη της προσάπτουμε στην καθημερινότητα. Για τη φυσική η “διεμπλοκή” είναι ένα φαινόμενο που δεν ακολουθεί τους συνηθισμένους κανόνες του κόσμου που αντιλαμβανόμαστε.

ΤΙ ΕΙΝΑΙ Η ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΔΙΕΜΠΛΟΚΗ;

Στη φυσική, όταν δύο αντικείμενα είναι μακριά το ένα από το άλλο, δεν έχουν καμία αλληλεπίδραση, εκτός αν συνδεθούν με κάποιον τρόπο. Για παράδειγμα, δύο μπάλες που βρίσκονται σε διαφορετικά σημεία ενός δωματίου είναι ανεξάρτητες. Αν όμως συνδεθούν με ένα σχοινί, τότε μπορούμε να πούμε ότι υπάρχει μια “σύνδεση” μεταξύ τους. Στην κβαντική φυσική όμως η διεμπλοκή, αφορά δύο σωματίδια που μπορούν να είναι “συνδεδεμένα” χωρίς καμία φυσική σύνδεση. Δηλαδή, ακόμη και αν βρίσκονται χιλιόμετρα μακριά το ένα από το άλλο, η κατάσταση του ενός σωματιδίου μπορεί να επηρεάσει άμεσα το άλλο. Αυτό είναι σαν να μπορούσαμε να κοιτάξουμε τη μία μπάλα και να γνωρίζουμε ακριβώς τι συμβαίνει με την άλλη, ακόμα και αν βρίσκεται σε μια άλλη πόλη.

Αυτό το φαινόμενο, που ακούγεται εξαιρετικά παράξενο, έχει αποδειχθεί σε πολλά πειράματα από τη δεκαετία του 1980 και θεωρείται θεμελιώδες μέρος της κβαντικής φυσικής. Και παρόλο που φαίνεται ότι θα μπορούσαμε να το χρησιμοποιήσουμε για να μεταφέρουμε πληροφορίες πιο γρήγορα από το φως, η κβαντική φυσική μας λέει ότι αυτό δεν είναι εφικτό. Αντιθέτως, η διεμπλοκή λειτουργεί με τρόπους που παραμένουν εντυπωσιακοί, αλλά δεν παραβιάζουν τους βασικούς νόμους της φύσης.

ΑΠΟ ΤΑ ΦΩΤΟΝΙΑ ΣΤΑ ΚΟΥΑΡΚ

Η διεμπλοκή έχει μελετηθεί κυρίως σε σωματίδια φωτός, γνωστά ως φωτόνια. Σε πειράματα, έχει αποδειχθεί ότι δύο φωτόνια μπορούν να είναι διαπλεγμένα, ακόμα και αν βρίσκονται σε πολύ μεγάλες αποστάσεις το ένα από το άλλο. Σήμερα, ακόμη και με εμπορικά διαθέσιμες συσκευές, είναι δυνατή η δημιουργία ζευγών  φωτονίων, κάτι που ανοίγει τον δρόμο για την ανάπτυξη κβαντικών τεχνολογιών, όπως οι κβαντικοί υπολογιστές και οι κβαντικές επικοινωνίες.

Ωστόσο η διεμπλοκή δεν περιορίζεται μόνο στα φωτόνια. Τα τελευταία χρόνια, έχουν γίνει σημαντικές ανακαλύψεις που δείχνουν ότι η διαπλοκή μπορεί να συμβεί και σε μεγαλύτερα συστήματα. Η ανακάλυψη της διεμπλοκής στα top κουάρκς, τα βαρύτερα γνωστά σωματίδια στην επιστήμη, του πειράματος ATLAS, είναι η πιο πρόσφατη από αυτές τις ανακαλύψεις.

ΤΙ ΕΙΝΑΙ ΤΑ ΚΟΥΑΡΚ;

Για να κατανοήσουμε τη σημασία της τελευταίας αυτής ανακάλυψης, πρέπει να εξηγήσουμε τι είναι τα κουάρκ. Πρόκειται για τα θεμελιώδη σωματίδια που συνθέτουν τα πρωτόνια και τα νετρόνια, τα οποία με τη σειρά τους αποτελούν τους πυρήνες των ατόμων. Υπάρχουν έξι διαφορετικοί τύποι κουάρκ, από τα οποία τα πιο γνωστά είναι τα «άνω» και «κάτω» κουάρκ, τα οποία αποτελούν τα πρωτόνια και τα νετρόνια που βρίσκονται στα άτομα που συνθέτουν την ύλη γύρω μας.

Ωστόσο, υπάρχουν και τέσσερα άλλα κουάρκ, τα οποία είναι πολύ βαρύτερα. Το βαρύτερο από όλα είναι το κορυφαίο κουάρκ, το οποίο έχει μάζα που είναι 184 φορές μεγαλύτερη από τη μάζα του πρωτονίου. Αυτή η τεράστια μάζα κάνει το κορυφαίο κουάρκ εξαιρετικά σημαντικό για τη μελέτη της φυσικής σε εξαιρετικά υψηλές ενέργειες.

Η ανακάλυψη αυτή, που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό NATURE μπορεί να μην οδηγήσει σε μια ταχύτητα μεγαλύτερη αυτής του φωτός, αλλά σίγουρα τα κορυφαία κουάρκ παρέχουν ένα νέο είδος εργαλείου για τη διεξαγωγή πειραμάτων που σίγουρα θα οδηγήσουν στην ανακάλυψη νέων δρόμων για τη φυσική και κατ’ επέκταση τον τρόπο που αντιλαμβανόμαστε τον κόσμο.

Πηγή: https://www.homoscience.gr/

Η δημοσίευση της νέας ανακάλυψης στο κορυφαίο περιοδικό Nature είναι ελεύθερα διαθέσιμη εδώ: https://www.nature.com/articles/s41586-024-07824-z και από το Τμήμα Φυσικής του ΑΠΘ συμμετέχουν (αλφαβητικά): Κ. Bachas, I. Karkanias, E. Kasimi, Kostas Kordas, C. Lampoudis, A. Leisos, A. Marantis, I., Maznas και Petridou Chara (συγχαρητήρια!).

The ATLAS Collaboration. Observation of quantum entanglement with top quarks at the ATLAS detector. Nature 633, 542–547 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07824-z