First determination of the full spin density matrix in
En utilisant un vaste ensemble de données d'événements collectés par le détecteur BESIII, cette étude présente la première détermination complète de la matrice de densité de spin dans , révélant une polarisation transversale significative de l'hyperon et fournissant des preuves d'intrication quantique à travers la violation de l'inégalité de Bell CHSH.
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Dans le monde subatomique, les particules ne sont pas seulement de minuscules boules de billard ; elles possèdent une propriété cachée appelée « spin », qui agit comme l'aiguille d'une boussole intégrée pointant dans une direction spécifique. Lorsque ces particules sont créées lors de collisions à haute énergie, leurs spins peuvent se lier d'une manière qui défie notre intuition quotidienne, un phénomène connu sous le nom d'intrication quantique. Cette connexion signifie que la mesure du spin d'une particule révèle instantanément l'état de sa partenaire, quelle que soit la distance qui les sépare. Les scientifiques étudient depuis longtemps ce comportement avec des particules de lumière et des atomes, mais l'observer dans des particules plus lourdes et complexes composées de quarks est resté un défi de taille. Comprendre comment ces particules massives naissent et comment leurs spins interagissent offre un aperçu rare des forces fondamentales qui maintiennent la matière ensemble et teste les limites mêmes du fonctionnement de l'univers.
Une équipe de chercheurs utilisant le détecteur BESIII dans un accélérateur de particules en Chine a maintenant franchi une étape majeure en capturant une image complète de ce comportement dans un type spécifique de désintégration de particule. Ils ont analysé des centaines de millions d'événements où une particule lourde appelée s'est brisée pour former une paire de particules plus légères : un baryon lambda et son jumeau de matière antimatière, l'anti-lambda. En traçant les trajectoires des débris laissés derrière elles lorsque ces particules se sont désintégrées, les scientifiques ont pu reconstruire la matrice de densité de spin complète. Il s'agit essentiellement d'une carte détaillée qui décrit non seulement la façon dont les particules tournaient lorsqu'elles ont été créées, mais aussi comment leurs spins étaient corrélés entre eux. C'est la première fois qu'une description aussi complète est réalisée pour cette réaction spécifique, offrant une vue unifiée à la fois de la mécanique de leur création et de la nature quantique de leur connexion.
L'étude s'est appuyée sur un ensemble de données massif contenant 448,1 millions de ces événements de particules. Les chercheurs se sont concentrés sur les angles sous lesquels les produits de désintégration ont été projetés, utilisant une analyse multidimensionnelle sophistiquée à cinq dimensions pour extraire deux nombres clés décrivant le processus de production. Ils ont trouvé que le paramètre de distribution angulaire, qui dicte la façon dont les particules sont diffusées, est de 0,82. Plus important encore, ils ont mesuré une différence de phase relative entre les propriétés électriques et magnétiques de l'interaction, qui est de 20,6 degrés. Cette phase non nulle implique un type de mouvement spécifique : elle suggère que les particules lambda ne tournent pas seulement de manière aléatoire, mais qu'elles sont en réalité polarisées latéralement, se déplaçant avec une valeur de spin latéral maximal de 0,074. Cette polarisation latérale a été détectée avec une certitude statistique de 6,3 écarts-types, ce qui signifie que la probabilité que ce résultat soit un pur hasard est virtuellement nulle.
Au-delà de la simple mesure de la rotation des particules, cette carte complète a permis à l'équipe de tester les célèbres inégalités de Bell, qui sont des limites mathématiques séparant le monde prévisible de la physique classique du monde étrange de la mécanique quantique. Si les particules se comportaient selon les règles classiques, leurs corrélations resteraient en dessous d'un certain seuil. Cependant, les chercheurs ont calculé une valeur moyenne pour la mesure de non-localité de Bell de 1,266, ce qui dépasse nettement la limite classique. Cette violation de l'inégalité de Clauser-Horne-Shimony-Holt a été observée avec une signification de 3,7 écarts-types, fournissant une preuve solide que ces baryons lourds sont bel et bien intriqués d'une manière qui ne peut être expliquée par la physique classique. Les résultats confirment que le lien quantique entre la particule et son antiparticule survit au processus violent de leur création et de leur désintégration.
Les découvertes éclairent également les raisons pour lesquelles différents types de particules similaires se comportent différemment. Alors que la particule lambda montre un motif de spin positif dans cette désintégration, une particule similaire, la sigma-zéro, présente un motif négatif dans d'autres expériences. Les chercheurs suggèrent que cette différence provient de l'arrangement interne des quarks à l'intérieur d'elles, spécifiquement de la façon dont les quarks s'apparient. En comparant leurs nouveaux résultats avec des mesures antérieures provenant d'autres désintégrations de particules, l'équipe a extrait des détails sur les forces en jeu, telles que le rapport entre différentes interactions d'ondes et la taille effective de la région d'interaction. Ces mesures aident à affiner notre compréhension de la force nucléaire forte et de la structure interne de la matière, transformant la désintégration du en un laboratoire unique pour étudier le lien profond entre la façon dont les particules sont fabriquées et la manière dont elles restent liées mécaniquement par la physique quantique.
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