Реализм проверили с помощью нейтрино на рекордных расстояниях

Нейтринный детектор эксперимента MINOS

Fermilab

Физики из Массачусетского технологического института впервые использовали нейтрино для доказательства нарушения неравенств Леггетта-Гарга. Нарушения удалось показать на расстояниях около 735 километров. Неравенства Леггетта-Гарга представляют собой условия, которые должны выполняться в полностью детерминированном мире. Реализуемость эксперимента Шредингера с котом, находящимся одновременно в «живом» и «мертвом» состоянии, возможна лишь при нарушении этих неравенств. Исследование принято к публикации вPhysical Review Letters (препринт), кратко о нем сообщает Science и пресс-релиз MIT.

Квантовая механика допускает существование объекта одновременно в двух состояниях, например, вращающимся по и против часовой стрелки. Такие состояния называются суперпозицией. Однако любая попытка измерения разрушает суперпозицию и показывает, что направление вращения объекта строго одно. Результат измерения определяется вероятностью: условно, объект может с 80-процентной вероятностью вращаться по часовой стрелке и с 20-процентной — против. До измерения пять таких объектов будут неразличимы, после один из них, скорее всего, окажется отличным от других.

С точки зрения реализма до измерения эти пять объектов тоже будут различаться, например, за счет каких-то скрытых параметров. Леггетт и Гарг разработали специальный эксперимент, с помощью которого можно проверить, нарушается ли реализм. В классической постановке, для этого требуется несколько последовательных измерений. Неравенства Леггетта-Гарга устанавливают ограничения на корреляцию между результатами измерений в разные моменты времени. Их еще называют временным аналогом неравенств Белла: последние ограничивают корреляцию между двумя системами, находящимися в разных точках пространства.

Проверка неравенств Леггетта-Гарга в случае квантовых частиц затруднена тем, что измерения уничтожают суперпозицию. Поэтому для экспериментов ученые используют методы так называемых слабых измерений, не нарушающих квантовость частиц. Нарушения неравенств были зафиксированы для фотонов, сверхпроводящих цепей, электронов и ядерных спинов. В новой работе авторы увидели нарушения неравенств для реакторных нейтрино, осциллирующих на расстоянии 735 километров между источником и детектором.

Осцилляциями нейтрино называют периодический процесс превращения мюонных нейтрино в частицы другого сорта — электронные или тау-нейтрино — и обратно. Сорт нейтрино показывает как нейтрино взаимодействует с разными лептонами (электронами, мюонами и тау). Благодаря осцилляциям вместо мюонного нейтрино, родившегося в ядерной реакции, можно получить в детекторе электронное. Именно этот процесс изучали в эксперименте MINOS, данными которого воспользовались авторы.

В работе авторы использовали не последовательные измерения, а одновременный анализ для частиц с разными энергиями. Такую замену, по словам ученых, можно сделать, поскольку частота осцилляций сильно зависит от энергии частиц. Для высокоэнергетичных нейтрино «часы тикают быстрее», поясняетScience, — поэтому можно искать корреляции в эксперименте между частицами с разными энергиями. 

Как и ожидали авторы, эксперимент показал, что до измерения нейтрино не отличимы друг от друга. Ученые отмечают, что это рекордный по масштабу расстояний тест неравенств, аналогичных неравенствам Белла. 

«Если бы вы сказали мне десять лет назад, что мы будем использовать нейтрино для исследования основ квантовой механики, то я бы ответил, что вы курили нечто очень интересное» — прокомментировал работу Эндрю Уайт, физик из Университета Квинсленда, Австралия. — «Это неудивительный результат, но он привлекает тем, что показывает новую систему для исследования квантовых основ».

Ранее физики-теоретики из Института квантовой оптики Общества Макса Планка показали, что использовать неравенства Леггетта-Гарга для тестов макрореализма недостаточно. Ученые предложили заменить эти неравенства на уравнения, отражающие принцип причинности и «не-передачи» информации во времени.

Владимир Королёв