Квантовая запутанность вернула физикам загадку, которой уже 35 лет

Иногда новая физика прячется не в огромном неожиданном открытии, а в нескольких цифрах после запятой. Уже много лет физики пытаются понять небольшое расхождение в одном из фундаментальных математических механизмов Стандартной модели. Теперь исследователи коллаборации BESIII вернулись к экспериментальному подходу, практически не использовавшемуся около 35 лет, и добавили к нему квантовую запутанность. Полученный результат одновременно обнадёживает и усложняет загадку: Стандартная модель выдержала проверку, но прежнее несоответствие никуда не исчезло.

В центре истории находится матрица Кабиббо — Кобаяси — Маскавы, или CKM. Название выглядит устрашающе, но её смысл можно представить сравнительно просто. Материя состоит в том числе из кварков шести типов, которые физики называют ароматами: верхний, нижний, странный, очарованный, верхний и нижний тяжёлые кварки. Под действием слабого взаимодействия некоторые кварки способны превращаться друг в друга.

Матрица CKM представляет собой своего рода таблицу вероятностей таких превращений. Одно из фундаментальных требований Стандартной модели заключается в её унитарности: если корректно сложить соответствующие вероятности превращений, результат должен точно соответствовать математическому условию теории. Это похоже на бухгалтерский баланс фундаментальной физики. Если суммы перестают сходиться, приходится искать либо ошибку измерений, либо неизвестный процесс.

Особое внимание привлекает параметр Vus. Он связан с превращением странного кварка в верхний. Наиболее точные оценки традиционно получали при исследовании распадов каонов — частиц, содержащих странный кварк. И именно здесь появилась проблема: несколько высокоточных измерений дают небольшое, но устойчивое расхождение с тем, чего ожидают от полностью унитарной матрицы CKM.

Такие несоответствия физики любят и одновременно опасаются их. Если результат объясняется неточностью эксперимента или теоретического расчёта, загадка исчезает. Но если отклонение реально, оно может означать, что известная теория частиц неполна. Поэтому особенно ценен эксперимент, основанный на совершенно другом физическом процессе.

Для независимой проверки команда BESIII использовала лямбда-гипероны. Эти нестабильные частицы можно представить как более тяжёлых родственников нейтрона. Они состоят из трёх кварков, один из которых странный. При определённом типе распада этот кварк превращается в верхний, а среди продуктов возникают протон, электрон и антинейтрино. Частица нейтрино практически не взаимодействует с детектором и ускользает незамеченной, что сильно усложняет реконструкцию события.

Именно здесь исследователи воспользовались одним из самых необычных явлений квантовой механики. На установке BESIII электроны сталкиваются со своими античастицами — позитронами. В некоторых столкновениях рождается промежуточная частица, которая затем распадается сразу на лямбда-гиперон и антигиперон. Их квантовые состояния оказываются запутанными.

Квантовая запутанность означает, что две части системы нельзя полностью описать независимо друг от друга. Свойства одной частицы содержат информацию о состоянии другой. В данном эксперименте это позволило использовать распад одного гиперона как своеобразную метку, помогающую восстановить параметры его партнёра. То, что обычно воспринимается как философски странная особенность квантового мира, превратилось в практический измерительный инструмент.

Масштаб эксперимента впечатляет: исследователи проанализировали около 10 миллиардов событий. Из огромного потока столкновений требовалось выделить редкие нужные распады, реконструировать движение зарегистрированных частиц и статистически восстановить информацию, унесённую невидимым антинейтрино.

После объединения экспериментальных данных с теоретическими расчётами физики получили независимое значение Vus. И оно оказалось совместимо с унитарной матрицей CKM. Иными словами, если смотреть на превращение странного кварка через распады лямбда-гиперонов, фундаментальная бухгалтерия Стандартной модели сходится.

На первый взгляд можно решить, что загадка закрыта. На самом деле произошло почти обратное. Результаты гиперонов по-прежнему не полностью совпадают с некоторыми более точными определениями Vus, основанными на распадах каонов. Теперь существуют разные экспериментальные дороги к одному фундаментальному параметру, и они пока приводят к слегка различающимся ответам.

Именно такие ситуации особенно интересны для фундаментальной физики. Возможно, одна из методик содержит ещё не полностью учтённую систематическую погрешность. Возможно, необходимо уточнить сложные теоретические расчёты, описывающие внутреннюю структуру частиц. Но остаётся и более интригующий вариант: разные типы распадов могут чувствовать какое-то слабое взаимодействие, отсутствующее в Стандартной модели.

Пока оснований объявлять об открытии новой физики нет. Стандартная модель вообще обладает почти раздражающей устойчивостью: на протяжении десятилетий эксперименты пытаются найти её слабое место, а она продолжает чрезвычайно точно описывать поведение элементарных частиц. При этом физики точно знают, что теория неполна. Она не объясняет тёмную материю, не включает квантовое описание гравитации и оставляет без ответа ряд фундаментальных вопросов.

Поэтому даже крошечные несоответствия имеют огромное значение. Коллаборация BESIII показала, что квантово-запутанные гипероны можно превратить в новый высокоточный инструмент проверки фундаментальных законов. С накоплением данных и совершенствованием расчётов точность метода будет расти.

Самое интересное теперь заключается не в том, подтвердил ли один эксперимент Стандартную модель. Вопрос в том, почему разные способы измерить одну и ту же величину пока не дают идеально одинакового результата. Возможно, причиной окажется обычная погрешность. Но история физики неоднократно показывала: иногда именно небольшая цифра, которая упрямо не желает вставать на своё место, становится первой трещиной в старой картине мира.