สังเกตพบการพันกันของควอนตัมระหว่าง “ควาร์กชั้นนำ” ที่มีพลังงานสูงสุด  

นักวิจัยที่ CERN ประสบความสำเร็จในการสังเกตการพันกันของควอนตัมระหว่าง "ควาร์กบน" กับพลังงานสูงสุด โดยมีการรายงานครั้งแรกในเดือนกันยายน 2023 และได้รับการยืนยันจากการสังเกตครั้งแรกและครั้งที่สอง คู่ "ควาร์กบน" ที่ผลิตขึ้นที่ Large Hadron Collider (LHC) ถูกใช้เป็นระบบใหม่ในการศึกษาการพันกัน 

“ควาร์กบน” เป็นอนุภาคพื้นฐานที่หนักที่สุด พวกมันสลายตัวอย่างรวดเร็วโดยถ่ายโอนสปินไปยังอนุภาคที่สลายตัว ทิศทางของสปินของควาร์กบนอนุมานได้จากการสังเกตผลผลิตจากการสลายตัว  

ทีมวิจัยได้สังเกตการพันกันของควอนตัมระหว่าง “ควาร์กบน” และแอนตี้แมทเทอร์ที่คู่กันโดยมีพลังงาน 13 เทระอิเล็กตรอนโวลต์ (1 TeV=10¹²  eV) นี่เป็นการสังเกตการพันกันครั้งแรกในคู่ควาร์ก (ควาร์กบนและควาร์กแอนตี้ท็อป) และเป็นการสังเกตการพันกันที่มีพลังงานสูงสุดจนถึงปัจจุบัน 

พันธนาการควอนตัมที่พลังงานสูงยังคงไม่ได้รับการสำรวจมากนัก การพัฒนานี้ช่วยปูทางไปสู่การศึกษาวิจัยใหม่ๆ  

ในอนุภาคที่พันกันด้วยควอนตัม สถานะของอนุภาคหนึ่งจะขึ้นอยู่กับอนุภาคอื่น ๆ โดยไม่คำนึงถึงระยะทางและตัวกลางที่แยกอนุภาคเหล่านั้นออกจากกัน สถานะควอนตัมของอนุภาคหนึ่งไม่สามารถอธิบายได้โดยอิสระจากสถานะของอนุภาคอื่น ๆ ในกลุ่มของอนุภาคที่พันกัน การเปลี่ยนแปลงใด ๆ ในอนุภาคหนึ่งจะส่งผลต่ออนุภาคอื่น ๆ ตัวอย่างเช่น คู่อิเล็กตรอนและโพซิตรอนที่เกิดจากการสลายตัวของมีซอนไพจะพันกัน สปินของทั้งสองจะต้องรวมกันเป็นสปินของมีซอนไพ ดังนั้น เมื่อทราบสปินของอนุภาคหนึ่งแล้ว เราจะทราบเกี่ยวกับสปินของอนุภาคอีกตัวหนึ่ง  

ในปี 2022 รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์มอบให้กับ Alain Aspect, John F. Clauser และ Anton Zeilinger สำหรับการทดลองกับโฟตอนที่พันกัน 

มีการสังเกตการพันกันของควอนตัมในระบบที่หลากหลาย พันกันของควอนตัมถูกนำไปใช้ในการเข้ารหัส การวัด ข้อมูลควอนตัม และการคำนวณแบบควอนตัม 

*** 

อ้างอิง:  

1. CERN ข่าวเผยแพร่ – การทดลอง LHC ที่ CERN สังเกตการพันกันของควอนตัมที่ระดับพลังงานสูงสุด เผยแพร่เมื่อวันที่ 18 กันยายน 2024 เข้าถึงได้ที่ https://home.cern/news/press-release/physics/lhc-experiments-cern-observe-quantum-entanglement-highest-energy-yet  

2. ความร่วมมือของ ATLAS การสังเกตการพันกันของควอนตัมกับควาร์กด้านบนที่เครื่องตรวจจับ ATLAS Nature 633, 542–547 (2024) https://doi.org/10.1038/s41586-024-07824-z 

*** 

อนุภาคพื้นฐาน  – ดูอย่างรวดเร็ว

อนุภาคพื้นฐานจะถูกจำแนกประเภทเป็นเฟอร์มิออนและโบซอนตามสปิน

[NS]. เฟอร์มิออนมีสปินในค่าครึ่งจำนวนเต็มคี่ (½, 3/2, 5/2, ….) ซึ่งได้แก่ อนุภาคของสสาร ประกอบด้วยควาร์กและเลปตอนทั้งหมด   – ติดตามสถิติของแฟร์มี–ดิแรก   – มีสปินเป็นจำนวนเต็มครึ่งคี่   – ปฏิบัติตามหลักการกีดกันของเพาลี กล่าวคือ เฟอร์มิออนที่เหมือนกันสองตัวไม่สามารถครอบครองสถานะควอนตัมเดียวกันหรือตำแหน่งเดียวกันในอวกาศที่มีเลขควอนตัมเท่ากันได้ เฟอร์มิออนทั้งสองไม่สามารถหมุนไปในทิศทางเดียวกันได้ แต่สามารถหมุนไปในทิศทางตรงข้ามได้   เฟอร์มิออนประกอบด้วยควาร์กและเลปตอนทั้งหมด และอนุภาคประกอบทั้งหมดที่ทำจากคี่ของควาร์กและเลปตอนเหล่านี้  - ควาร์ก = ควาร์ก 6 ตัว (อัพ, ดาวน์, สเตรนจ์, ชาร์ม, บอตทอม และท็อป)  – รวมตัวกันเพื่อสร้างแฮดรอน เช่น โปรตอนและนิวตรอน – ไม่สามารถสังเกตได้จากภายนอกฮาดรอน   – เลปตอน = อิเล็กตรอน + มิวออน + เทา + นิวตริโน + มิวออนนิวตริโน + เทา นิวตริโน    – ‘อิเล็กตรอน’ ‘ควาร์กอัพ’ และ ‘ควาร์กดาวน์’ สามองค์ประกอบพื้นฐานที่สุดของทุกสิ่งในจักรวาล   – โปรตอนและนิวตรอนไม่ใช่ธาตุพื้นฐานแต่ประกอบด้วย 'อัพควาร์ก' และ 'ดาวน์ควาร์ก' ดังนั้นจึงเป็น อนุภาคประกอบโปรตอนและนิวตรอนแต่ละตัวประกอบด้วยควาร์ก 3 ตัว โปรตอนประกอบด้วยควาร์ก "อัพ" 2 ตัวและควาร์ก "ดาวน์" 1 ตัว ในขณะที่นิวตรอนประกอบด้วยควาร์ก "ดาวน์" 2 ตัวและควาร์ก "อัพ" 1 ตัว "อัพ" และ "ดาวน์" คือควาร์ก "รสชาติ" หรือพันธุ์ต่างๆ สองชนิด  - บาริออน เป็นเฟอร์มิออนประกอบที่ประกอบด้วยควาร์ก 3 ตัว เช่น โปรตอนและนิวตรอนเป็นแบริออน  - ฮาดรอน ประกอบด้วยควาร์กเท่านั้น เช่น แบริออนเป็นแฮดรอน

[บี]. BOSONS มีสปินเป็นค่าจำนวนเต็ม (0, 1, 2, 3, ….)   – โบซอนปฏิบัติตามสถิติของโบส-ไอน์สไตน์ มีสปินเป็นจำนวนเต็ม   – ตั้งชื่อตาม สัทเยนทรา นาถโบส (พ.ศ. 1894–1974) ร่วมกับไอน์สไตน์ พัฒนาแนวคิดหลักเบื้องหลังเทอร์โมไดนามิกส์เชิงสถิติของก๊าซโบซอน   – อย่าเชื่อฟังหลักการกีดกันของเพาลี กล่าวคือ โบซอนที่เหมือนกันสองตัวสามารถอยู่ในสถานะควอนตัมเดียวกันหรืออยู่ในตำแหน่งเดียวกันในอวกาศด้วยเลขควอนตัมเดียวกัน ทั้งสองสามารถหมุนไปในทิศทางเดียวกันได้   – โบซอนพื้นฐานได้แก่ โฟตอน กลูออน โบซอน Z โบซอน W และโบซอนฮิกส์ โบซอนฮิกส์มีสปิน = 0 ในขณะที่โบซอนเกจ (เช่น โฟตอน กลูออน โบซอน Z และโบซอน W) มีสปิน = 1   อนุภาคประกอบสามารถเป็นโบซอนหรือเฟอร์มิออน ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของมัน  อนุภาคประกอบทั้งหมดที่ประกอบด้วยเฟอร์มิออนจำนวนคู่คือโบซอน (เนื่องจากโบซอนมีสปินเป็นจำนวนเต็มและเฟอร์มิออนมีสปินเป็นครึ่งหนึ่งของจำนวนเต็มคี่)   – มีซอนทั้งหมดเป็นโบซอน (เพราะว่า m ทั้งหมดเอซอน ประกอบด้วยควาร์กและแอนตี้ควาร์กในจำนวนที่เท่ากัน นิวเคลียสที่เสถียรที่มีเลขมวลเท่ากัน ได้แก่ โบซอน เช่น ดิวทีเรียม ฮีเลียม-4 คาร์บอน -12 เป็นต้น  – โบซอนประกอบยังไม่ปฏิบัติตามหลักการกีดกันของเพาลีอีกด้วย   – โบซอนหลายตัวในสถานะควอนตัมเดียวกันรวมตัวกันเพื่อสร้าง “โบส-ไอน์สไตน์ คอนเดนเสท (บีอีซี)”

***