CERN’den İlginç Bulgu: Sanal Parçacıklar da Dolanıklık Gösteriyor

Bir parçacığın gerçek biçimde var olamadan başka bir parçacıkla dolanık olması mümkün mü? Bu soru çılgınlık değil. CERN’den gelen yeni bir sonuca göre, evet. ATLAS deneyine katılan bilim insanları, bir Higgs bosonunun (diğer parçacıklara kütleyi veren parçacık) bozunmasından üretilen iki Z bosonu arasındaki kuantum dolanıklığının kanıtını yakın zamanda yayımladı ve bunlardan birinin bir sanal parçacık olduğu ortaya çıktı.

İki parçacık, tek bir durum

Dolanıklık, kuantum meaniğinin en belirgin olgularından biri ve belki de en çarpıcı olanı. Einstein ona “uzaktan hayalet etkisi” demişti. Nedeni, dolanık iki parçacığın aynı kuantum durumunu paylaşması ve onlardan birine yapılan bir eylemin (örneğin bir ölçüm) mesafeden bağımsız olarak ikinci parçacık üzerinde anında bir etki yaratmasıdır.

Dolanıklık, onlarca yıldır fotonlarda, atomlarda ve diğer kuantum sistemlerinde gözlemleniyor ve bugün kuantum hesaplamada temel bir kaynak. Aynı zamanda büyük hızlandırıcılara da ulaştı: 2024’te Hadron Hızlandırıcı Büyük Çarpıştırıcısı’nın (LHC) ATLAS ve CMS deneyleri, en ağır temel parçacıklar olan top quark çiftleri arasında dolanıklık gözlemledi. Şimdi Higgs bosonu iki adım daha ileri gitmeyi sağlıyor.

Parçacık olarak gerçek var olamayan bir Z

Higgs bosonının kütlesi yaklaşık 125 gigaelectronvolt (GeV) ve gerçek bir Z bosonının kütlesi yaklaşık 91 GeV’dir. Bir GeV yaklaşık olarak bir protonun kütlesine eşittir. İki gerçek Z bosonu yaklaşık 182 GeV eder, bu da Higgs’in kütlesinden oldukça fazladır. Bu nedenle Higgs, enerji korunumu nedeniyle iki gerçek Z’ye bozunamaz.

Higgs’in üretebileceği şey, gerçek bir Z ile kütlesi gerçek bir Z’den daha az olan bir sanal Z’dir.

Sanal bir parçacık özgürce yayılamaz ya da doğrudan algılanamaz, ancak etkileri ölçülebilir. O halde soru, doğrudan gözlemlenemeyeceğimiz bir parçacığın başka bir parçacıkla dolanık olup olmamasıdır. Daha önce belirttiğimiz gibi, ATLAS’ın ölçümü bunun evet olduğunu gösteriyor.

Görülemeyen nasıl ölçülür?

Sanal Z doğrudan algılanmaz, ancak gerçek Z de detektöre ulaşmaz: ortalama ömrü yaklaşık 3 × 10⁻²⁵ s’dir. Yani her iki bozon da üretildikleri anda neredeyse aynı anda bozunurlar. ATLAS, her bir Z’nin bir elektron ya da muon çiftine yol açtığı durumları inceledi. Bu parçacıklar algılanabilir ve yayıldıkları yönler, dolanıklık taşıdıkları iddia edilen bozonların da dahil olduğu, kendilerini üreten Z bozonlarının özelliklerini yeniden inşa etmeyi olanaklandırır.

ATLAS’ın verileri, dolanıklık olmayan hipotezini 4,7 standart sapma (sigma) istatistiksel anlamlılıkla elemiş oluyor. Bu, parçacık fiziğinde geleneksel olarak gözlem sözkonusu olduğunda talep edilen 5 sigma’nın altında kalan, ancak son derece sağlam bir kanıttır. Bu yüzden sonuç bir “keşif” olarak değil, dolanıklık için “güçlü kanıt” olarak sunuluyor.

Cübitlerden qutritlere

Sonucun kuantum bilgisiyle ilgili başka bir yeniliği de var. Kuantum hesaplamada bilginin temel birimleri cübitlerdir; iki temel durum olan |0⟩ ve |1⟩ durumlarında ya da her iki durumun herhangi bir süperpozisyonunda var olabilirler. Yarım spinli parçacıklar, örneğin top quark iki mümkün duruma sahip oldukları için cübit gibi davranırlar. (Spin, parçacıkların kuantum özellikidir ve klasik olarak parçacığın kendi etrafında dönmesi anlamına gelir.)

Buna karşılık Z bozonları spin 1 ve üç mümkün duruma sahiptir; bunları |0⟩, |1⟩ ve |2⟩ olarak adlandırabiliriz. Dolayısıyla Z bozonları, kuantum bilgisi dilinde qutrit gibi davranırlar. Böylece ATLAS’ın ölçümü, aynı zamanda elementer parçacıklardan oluşan qutritler arasındaki dolanıklık için ilk kanıtı da sağlayan ölçümdür.

Parçacıklar sanal mı?

Son soru en hassas olanı: Bir sanal parçacık tam olarak nedir?

Bazı fizikçiler, bir sanal parçacık izole edilemeyecek, bir algılayıcıya yol almayacak ve gerçek bir parçacık gibi gözlemlenemeyeceği için bunun yalnızca kuantum süreçlerindeki ara durumları betimlemek için kullanılan matematiksel bir araç olduğunu savunuyor.

Ancak etkileri kesinlikle ölçülebiliyor. ATLAS analizinde, sanal Z bozonunun spini dolaylı olarak yeniden inşa ediliyor ve bu spin gerçek Z bozonunun spiniyle kuantum dolanıklığına sahip. Yani, sanal parçacık dediğimiz şey, gözlemlenebilir sonuçları olan ortak bir kuantum durumunda yer alıyor.

Bu, parçacıkların “var olup olmadığı” felsefi sorununu çözmiyor. Kuantum mekaniği, deney sonuçlarını olağanüstü bir doğrulukla öngörüyor ancak daha felsefi nitelikteki sorulara yanıt vermiyor.

Bununla birlikte, daha kolay bir soru sorabiliriz: Bir şey ördek gibi yürüyüp ördek gibi gürlerse, onun bir ördek diyebilir miyiz? Bu durumda, sanal bir Z-ördekten bahsederiz.

• 3I/ATLAS

Yazar

1. Üst Bilimsel Araştırmalar Konseyi (CSIC) altında temel parçacık fiziği alanında bilim araştırmacısı, Üst Bilimsel Araştırmalar Konseyi (CSIC)

Üst Bilimsel Araştırmalar Konseyi (CSIC) altında temel parçacık fiziği bilim araştırmacısı, Üst Bilimsel Araştırmalar Konseyi (CSIC)

Tutuluk beyanı

Juan Antonio Aguilar Saavedra, 2021-2023 Tarihli Bilimsel, Teknik ve İnovasyon Ulusal Araştırma Planı kapsamında bulunan “Fenomenoloji ve nötrino fabrikalarında parçacık fiziği, standart model ve uzantıları” araştırma projesinin (PID2022-142545NB-C21) IP1’idir.

Ortaklar

Üst Bilimsel Araştırmalar Konseyi, The Conversation ES’in kurucu ortağı olarak finansman sağlamaktadır.