მსოფლიოში ყველაზე მძლავრ ნაწილაკების ამაჩქარებელში, CERN-ის დიდ ადრონულ კოლაიდერში (LHC), ფიზიკოსებმა კიდევ ერთხელ დააფიქსირეს ფენომენი, რომელსაც ალბერტ აინშტაინი "შორ მანძილზე უცნაურ ურთიერთქმედებას" უწოდებდა.

ესაა კვანტური გადახლართულობაა, რომელსაც აქამდეც დაჰკვირვებიან. ამჯერად მეცნიერებმა ჰიგსის ბოზონის დაშლის შედეგად წარმოქმნილ ე.წ. Z ბოზონების წყვილს შორის არსებული კვანტური გადახლართულობის მყარი მტკიცებულება პირველად იპოვეს. ამ ნაწილაკების სპინები (ბრუნვა) ერთმანეთთან იმდენად მჭიდროდაა დაკავშირებული, რომ თითოეულის მდგომარეობის ცალ-ცალკე აღწერა შეუძლებელია.

• ტესტი: რა იცი ჰიგსის ბოზონის შესახებ
• ისტორიაში პირველად, კვანტურად გადახლართული ტალღები გაზომეს

"ორ Z ბოზონს შორის არსებული სპინური გადახლართულობა იმაზე ბევრად ძლიერია, ვიდრე მანამდე გაზომილ t და ანტი-t კვარკების წყვილში იყო", — განაცხადა ესპანეთის თეორიული ფიზიკის ინსტიტუტის მეცნიერმა, ხუან ანტონიო აგილარ-საავედრამ.

კვანტური გადახლართულობა სამყაროს ერთ-ერთი ყველაზე უცნაური მოვლენაა. ეს მაშინ ხდება, როცა ორ ნაწილაკს შორის კავშირი იმდენად ძლიერდება, რომ მათი ერთმანეთისგან დამოუკიდებლად აღწერა შეუძლებელია — იმ შემთხვევაშიც კი, თუ მათ შორის მანძილი უზარმაზარია. ერთ ნაწილაკზე დაკვირვებისას მეორის მდგომარეობა მომენტალურად ხდება ცნობილი.

მეცნიერები გადახლართული ნაწილაკების მოდელებს, მაგალითად, ატომებსა და ფოტონებს, ათწლეულებია, ლაბორატორიებში აკვირდებიან. 2024 წელს პროექტ ATLAS-ის ფარგლებში დიდი ადრონული კოლაიდერის მეშვეობით ეს ფენომენი t კვარკების წყვილშიც დააფიქსირეს. Z ბოზონები მათგან სრულიად განსხვავებულად "იქცევა".

Top-კვარკებს სპინის მხოლოდ ორი შესაძლო მდგომარეობა აქვს (რასაც კვანტურ ინფორმატიკაში კუბიტი ეწოდება). Z ბოზონს კი სპინის სამი მდგომარეობა გააჩნია, რაც მას ე.წ. კუტრიტად აქცევს.

"ეს ძალიან მნიშვნელოვანი განსხვავებაა, რადგან ელემენტარულ ნაწილაკებში კვანტური გადახლართულობა კუტრიტების დონეზე პირველად გაიზომა", — განმარტავს აგილარ-საავედრა.

პროტონების მაღალი სიჩქარით შეჯახებისას წარმოქმნილი ჰიგსის ბოზონი Z ბოზონების გადახლართული წყვილის მისაღებად საუკეთესო წყარო აღმოჩნდა. ვინაიდან თავად ჰიგსის ბოზონს სპინი არ გააჩნია (ნულის ტოლია), მისგან ფორმირებული Z ბოზონების სპინების ჯამიც ნულის ტოლი უნდა იყოს, რათა ენერგიის შენახვის კანონი არ დაირღვეს.

აქ ერთ საინტერესო დაბრკოლებას ვაწყდებით: ჰიგსის ბოზონის მასა დაახლოებით 125 გიგაელექტრონვოლტია (GeV), ხოლო Z ბოზონისა — 91 GeV. შესაბამისად, ჰიგსის ბოზონს არ გააჩნია საკმარისი ენერგია იმისთვის, რომ ორი ჩვეულებრივი (რეალური) Z ბოზონი ერთდროულად წარმოქმნას. შესაბამისად, მათგან სულ მცირე ერთი "ვირტუალური" ნაწილაკი უნდა იყოს.

ასეთი ნაწილაკები თანამედროვე კვანტური ფიზიკის სტანდარტებითაც კი მეტად უცნაურია. ისინი ამაჩქარებელში წამიერად ჩნდება, თუმცა რეალური ნაწილაკებივით მათი ცალკე დაფიქსირება შეუძლებელია. აქედან გამომდინარეობს კითხვა: თუ წყვილიდან ერთი Z ბოზონი ვირტუალურია, შეუძლია თუ არა მას ისეთ ფუნდამენტურ კვანტურ პროცესში მონაწილეობა, როგორიც გადახლართულობაა? ახალი კვლევის შედეგები აჩვენებს, რომ ეს შესაძლებელია.

პრობლემას ისიც ამძაფრებს, რომ Z ბოზონი დაშლამდე მხოლოდ 3x 10^-25 წამს ცოცხლობს. ასეთ მცირე დროში რეალური ბოზონის სპინის პირდაპირი გაზომვაც კი შეუძლებელია. მეორე მხრივ, Z ბოზონები მაინც მნიშვნელოვან კვალს ტოვებს.

დაშლისას თითოეული Z ბოზონი ორ დამუხტულ ნაწილაკს — ლეპტონს (ელექტრონებს ან მათ უფრო მძიმე "ნათესავებს", მიუონებს) წარმოქმნის. შედეგად, დეტექტორში ოთხი ლეპტონი მოძრაობს, რომელთა ტრაექტორიის გაზომვაც მეცნიერებს შეუძლიათ. სწორედ ამ ოთხი ნაწილაკის მოძრაობის მიმართულება ინახავს ინფორმაციას მათ წარმომქმნელ Z ბოზონთა სპინების შესახებ.

მკვლევრებმა ლეპტონების ტრაექტორიების მიხედვით, ფირის უკან გადახვევის მსგავსად, საწყისი Z ბოზონების სპინების აღდგენა შეძლეს. ეს პროცესი ტექნიკურად უზარმაზარ სირთულეს ქმნიდა, რადგან ჰიგსის ბოზონის დაშლა ორ Z ბოზონად, ხოლო მათი — ოთხ ლეპტონად, უკიდურესად იშვიათი მოვლენაა. მრავალწლიანი დაკვირვების მიუხედავად, მეცნიერებს ხელთ მხოლოდ 400-ამდე ასეთი შემთხვევა ჰქონდათ.

საბედნიეროდ, ეს მონაცემები საკმარისი აღმოჩნდა. Z ბოზონების აღდგენილ სპინებში მკვლევრებმა კვანტური გადახლართულობისთვის დამახასიათებელი ნიშნები აღმოაჩინეს. სტატისტიკურმა სანდოობამ 4.7 სიგმას მიაღწია, რაც ძალიან ახლოსაა 5-სიგმიან ზღვართან — სტანდარტთან, რომელსაც ფიზიკოსები აღმოჩენის ოფიციალურად გამოცხადებისთვის ითხოვენ.

ეს შედეგი ადასტურებს, რომ Z ბოზონები გადახლართულობის ძლიერი მტკიცებულება გვაქვს. ამასთან, ექსპერიმენტი ვირტუალური ნაწილაკების შესახებ საინტერესო ფილოსოფიურ კითხვასაც აჩენს: არსებობს თუ არა ვირტუალური ნაწილაკი სინამდვილეში, თუ ის მხოლოდ მათემატიკური ინსტრუმენტია გამოთვლების გასამარტივებლად? ახალმა ექსპერიმენტმა აჩვენა, რომ ვირტუალური Z ბოზონი რეალური ნაწილაკივით იქცევა — მას სპინის ინფორმაცია გადააქვს და მეორე ნაწილაკთანაც იხლართება.

კვლევის შედეგები სამეცნიერო ჟურნალ Physical Review Letters-ში გამოქვეყნდა.