CERN'deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nda (LHC) bilim dünyasını heyecanlandıran yeni bir keşif yapıldı. Dünyanın en güçlü parçacık hızlandırıcısında yüksek enerjili çarpışmalar sonucunda ortaya çıkan parçacık kalıntıları incelenirken, Albert Einstein'ın "mesafedeki ürkütücü etki" olarak tanımladığı kuantum dolanıklık (entanglement) olgusuna dair güçlü kanıtlar bulundu.
Bu, LHC'de kuantum dolanıklığın ilk tespiti olmasa da, bu kez daha önce bilinmeyen bir bağlamda gözlemlendi. Bilim insanları, bir Higgs bozonunun bozunmasından ortaya çıkan bir çift Z bozonu arasında ilk güçlü dolanıklık kanıtını saptadı. Bu parçacıkların spinleri öylesine birbirine bağlı ki, birinin tam olarak anlaşılması diğerinden ayrılamıyor.
İspanya'daki Teorik Fizik Enstitüsü'nden fizikçi Juan Antonio Aguilar-Saavedra'nın çevirisi yapılan bir videoda belirttiği gibi: "İki Z bozonunun spinleri son derece dolanık, daha önce ölçülen üst-anti-üst durumundan çok daha fazla."
Kuantum dolanıklık, iki parçacığın yapabileceği en garip şeylerdendir. Parçacıkların özellikleri o kadar yakından bağlanır ki, aralarında büyük mesafeler olsa bile artık bağımsız olarak tanımlanamazlar. Bir parçacık hakkında bir şeyi ölçtüğünüzde, diğer parçacık hakkında da anında bir şeyler öğrenirsiniz. Kuantum mekaniğinin bu derin sezgilere aykırı özelliği, Einstein'ın "ürkütücü" tanımına yol açmıştı.
Bilim insanları on yıllardır atom ve foton gibi dolanık parçacıklar üretip ölçüyor ve son zamanlarda bunları kuantum iletişimi ve kuantum hesaplama için kullanmayı umuyorlardı. 2024 yılında, ATLAS İşbirliği LHC'de üretilen üst kuark çiftleri arasındaki kuantum dolanıklığın ilk gözlemini rapor etmişti.
Z bozonları ise işleri biraz daha farklı yürütüyor. Üç olası spin durumuna sahip olan Z bozonları, kuantum bilgi dilinde iki durumlu bir kübit (qubit) yerine bir qutrit (üç durumlu kübit) olarak kabul edilir. Bu da önemli bir fark yaratır, çünkü bu, qutrit olan temel parçacıklarla dolanıklığın ilk kez ölçülmesidir.
Protonların yüksek hızlarda çarpıştırılmasıyla oluşturulan Higgs bozonu, dolanık bir Z bozonu çiftine ulaşmak için özellikle kullanışlı bir yoldur. Higgs bozonunun kendi spini olmadığı için, iki Z bozonu rastgele spin kombinasyonlarıyla ortaya çıkamaz. Spinleri, geldikleri parçacığın sıfır spinini koruyacak şekilde birbirine uymalıdır. Kuantum mekaniği, bu olasılıkların iki Z bozonu arasındaki paylaşılan bir durum olarak eş zamanlı olarak var olmasına izin verir. İşte bu paylaşılan durum, onları dolanık bırakabilir.
Ancak bir engel var: Bir Higgs bozonunun kütlesi yaklaşık 125 GeV iken, bir Z bozonu yaklaşık 91 GeV'dir. Bu nedenle, Higgs'in aynı anda iki sıradan Z bozonu üretmesi için yeterli enerji bulunmamaktadır. Bu durumda, en azından birinin "sanal" olması gerekir. Sanal parçacıklar, kuantum fiziği standartlarına göre bile gariptir. Çarpıştırıcı etkileşimleri sırasında kısa süreliğine ortaya çıkarlar, ancak "gerçek" karşılıkları gibi serbest parçacıklar olarak gözlemlenemezler.
Bu durum, sanal Z bozonu dolanıklık gibi temel bir kuantum olgusunda rol alabilir mi sorusunu akla getiriyor. Yeni sonuç, bunun mümkün olabileceğini gösteriyor. Elbette başka bir zorluk daha var: Bir Z bozonu, bozunmadan önce yalnızca yaklaşık 3 x 10-25 saniye yaşar. "Gerçek" Z bile spininin doğrudan ölçülmesi için yeterince uzun süre kalmaz. Ancak Z bozonları geride ipuçları bırakır.
İşbirliğinin incelediği bozunmalarda, her Z bozonu, elektron veya onların daha ağır kuzenleri olan müonlar gibi iki yüklü parçacık üretir. Bu, fizikçilere dedektörden geçen yollarını ölçebilecekleri dört parçacık verir. İşte kritik nokta budur, çünkü bu dört parçacığın seyahat ettiği yönler, onları üreten Z bozonlarının spinleri hakkında bilgi içerir. Araştırmacılar, bu yönlerden geriye doğru çalışarak, onları doğuran Z bozonu bozunmalarının spinlerini yeniden yapılandırabilirler – bu da "söylenenden" ve "yapılandırılandan" büyük bir zorluk farkı olan bir süreçtir.
Bunun kısmen nedeni, Higgs'ten iki Z'ye ve dört letona giden belirli bozunma zincirinin inanılmaz derecede nadir olmasıdır. Yıllarca süren parçacık çarpışması verisiyle bile, araştırmacıların yaklaşık 400 olaydan fazlası yoktu. Ancak bunlar yeterliydi.
Z bozonlarının yeniden yapılandırılmış spinleriyle, araştırmacılar dolanıklık belirtilerini aradılar – ATLAS verilerinde tespit edilebilecek bir desen. Sonuç, dolanıklığı güçlü bir şekilde gösterdi. En hassas testlerinde, ekibin verileri, dolanık durumu dolanık olmayan alternatif üzerine 4.7 sigma istatistiksel anlamlılıkla desteklediğini buldu; bu, parçacık fizikçilerinin geleneksel olarak bir keşif ilan etmeden önce talep ettiği 5-sigma eşiğine tehlikeli bir şekilde yakındı.
Bu eşiği tam olarak karşılamasa da, sonuç iki Z bozonunun gerçekten dolanık olduğuna dair güçlü bir kanıt oluşturuyor. Ancak deney, sanal Z'nin kendisi hakkında başka, daha ilgi çekici bir soruyu da gündeme getiriyor. Fizikçiler, bir sanal parçacığın "var olduğunu" söylemenin ne anlama geldiği konusunda tam olarak hemfikir değil. Sıradan parçacıkların aksine, sanal parçacıklar doğrudan gözlemlenemez; bazı fizikçiler onları öncelikle etkileşimleri tanımlamak için kullanılan matematiksel bileşenler olarak görür. Ancak burada, bir sanal Z bozonu çarpıcı bir şekilde parçacık benzeri bir şekilde davranıyor gibi görünüyor – başka bir Z ile dolanık hale gelebilen spin bilgisini taşıyor.
Aguilar-Saavedra, "Sanal parçacıklar var mı, yoksa hesaplama yapmak için kullandığımız zihnimizin birer yapısı mı?" diye sorulabilir. Bu sonucun felsefi soruyu çözmediğini, ancak sanal parçacıkların parçacık olup olmadığı konusunda biraz ışık tutabileceğini belirtti. "Eğer bir ördek gibi yürüyor ve ördek gibi ötüyorsa, o zaman baktığımız şey bir ördek olmalı" dedi, "Bu durumda, sanal bir ördek.". Sonuçlar Physical Review Letters'da yayınlandı.
