Τα μεσόνια παραβιάζουν την ανισότητα του Bell

Από την ιστοσελίδα PhysicsWeb, Νοέμβριος 2003

Η περίφημη ανισότητα Bell της κβαντομηχανικής έχει ελεγχθεί για πρώτη φορά σε ένα πείραμα φυσικής υψηλών ενεργειών. Η ανισότητα παραβιάστηκε κατά τρεις σταθερές απόκλισης (standard deviation), σε πειράματα με Β μεσόνια στο εργαστήριο ΚΕΚ της Ιαπωνίας. Έτσι επιβεβαιώθηκαν για μια φορά ακόμα οι προβλέψεις της κβαντικής θεωρίας. Κατά το παρελθόν τα πειράματα για την επιβεβαίωση ή όχι των ανισοτήτων του Bell γίνονταν κυρίως με φωτόνια ή ιόντα. 

Τα πειράματα για τον έλεγχο της ανισότητας Bell περιλαμβάνουν μέτρηση των ιδιοτήτων ενός ζεύγους σωματιδίων που χωρίζονται με χωροειδή απόσταση κατά την έννοια της ειδικής σχετικότητας. Με άλλα λόγια δεν υπάρχει χρόνος τέτοιος ώστε μέσα σ' αυτόν να μπορεί να ταξιδέψει ένα φωτεινό σήμα μεταξύ των δύο σημείων. Σε ένα τυπικό πείραμα για την ανισότητα του Bell, μετρούνται οι πολώσεις ενός  ζεύγους φωτονίων  καθώς μεταβάλλεται η σχετική γωνία μεταξύ των αξόνων των πολωτών με τους οποίους κάνουμε τη μέτρηση. 

Το πείραμα Belle.

Η κβαντομηχανική προβλέπει ότι μπορεί να υπάρχουν "μη τοπικές" σχέσεις μεταξύ των σωματιδίων. Αυτό σημαίνει ότι αν ένα φωτόνιο είναι πολωμένο έστω κατά την κατακόρυφη κατεύθυνση, το άλλο θα είναι πάντα πολωμένο κατά την οριζόντια κατεύθυνση, άσχετα από το πόσο μακριά βρίσκεται. Μερικοί φυσικοί όμως σχολιάζουν ότι αυτό δεν μπορεί να συμβαίνει και ότι τα κβαντικά σωματίδια πρέπει να έχουν τοπικές τιμές - γνωστές ως κρυμμένες μεταβλητές - τις οποίες όμως δεν μπορούμε να μετρήσουμε. 

Ο Bell και άλλοι έδειξαν ότι είναι δυνατόν να διακρίνουμε μεταξύ κβαντομηχανικής και αυτών των θεωριών με τις κρυμμένες μεταβλητές χρησιμοποιώντας ένα συγκεκριμένο τύπο πειράματος, το οποίο μετράει μια παράμετρο γνωστή ως S παράμετρο. Για να το θέσουμε απλά, οι τοπικές θεωρίες προβλέπουν ότι η S θα έχει πάντα τιμή μικρότερη του 2, ενώ η κβαντική πρόβλεψη δίνει  S = 2√2. Όταν η S είναι μεγαλύτερη από 2, λέμε ότι παραβιάζεται η ανισότητα του Bell. 

O Apollo Go του Εθνικού Κεντρικού Πανεπιστημίου της Taiwan και οι συνεργάτες του εκτέλεσαν το πείραμα Belle στο "εργοστάσιο των Β-μεσονίων" στο ΚΕΚ. Στον επιταχυντή αυτόν, δέσμες ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων συγκρούονται για να παράγουν ζεύγη των Β μεσονίων και των αντισωματιδίων τους, τα οποία στη συνέχεια διασπώνται προς ελαφρύτερα σωματίδια. Τα ζεύγη μεσονίων συμπεριφέρονται ως ζεύγη φωτονίων, αλλά αντί για την ανάλυση συσχετισμών μεταξύ των διευθύνσεων πόλωσης, η ομάδα μελέτησε συσχετισμούς μεταξύ σωματιδίων- αντισωματιδίων χρησιμοποιώντας μια τεχνική γνωστή ως "προσδιορισμό της γεύσης". Ο Go και οι συνεργάτες του υπολόγισαν ότι S = 2.725, με σφάλματα τέτοια ώστε η ανισότητα να παραβιάζεται κατά 3 σταθερές απόκλισης. 

Αν η κβαντομηχανική είναι η θεμελιώδης περιγραφή της φύσης, τότε οι μη τοπικοί συσχετισμοί θα παρουσιάζονται με οποιοδήποτε κβαντικό μέγεθος, λέει ο Go. "Στο συγκεκριμένο πείραμα ελέγξαμε έναν κβαντικό αριθμό που δεν είχε ποτέ στο παρελθόν ελεγχθεί. Επιπλέον ο κβαντικός αριθμός σωματιδίου-αντισωματιδίου είναι μια πολύ θεμελιώδης ποσότητα στη σωματιδιακή φυσική και τα αποτελέσματα του πειράματος μπορούν να έχουν συνέπειες στην περιοχή αυτή της φυσικής. Περιμένω τα σχόλια και άλλων θεωρητικών φυσικών επί του θέματος!" 

Η ομάδα σχεδιάζει τώρα να μελετήσει συσχετισμούς σωματιδίου-αντισωματιδίου με μεγαλύτερη λεπτομέρεια και να διερευνήσει τα σύνορα μεταξύ κλασσικής και κβαντικής μηχανικής. 

 Για μια μαθηματική ανάλυση της ανισότητας του Bell δείτε και το άρθρο:
 Το Θεώρημα Bell και η σημασία του για την πιθανοκρατική ερμηνεία της Κβαντομηχανικής