Две монетки подбрасывают одновременно, и они всегда падают одинаково — орёл к орлу, решка к решке. Их поведение жёстко связано. В микромире похожую связь между частицами называют спиновой корреляцией. Авторы работы нашли способ «подсмотреть», кто именно подбросил эти частицы — точнее, через какого посредника они родились в столкновении электрона с позитроном.
Ключом оказалась спиновая матрица плотности — математический объект, описывающий все возможные состояния спинов пары. Её ранг (число независимых строк) прямо говорит о свойствах посредника. Если частицы возникли через обмен одной скалярной частицей (например, бозоном Хиггса), матрица имеет ранг 1. Это как единственная инструкция, жёстко задающая спины. Если же посредником был фотон, ранг равен 2 — появляется смесь состояний, словно в рецепте два независимых ингредиента.
Это простое правило — ранг равен числу степеней свободы посредника — открывает мощные возможности. Когда ранг равен 1, физики могут измерить «анализирующие способности» спина для каждой частицы и их произведение, а по нему судить о нарушении CP-симметрии (различии между материей и антиматерией). Для случая с фотоном (ранг 2) удаётся восстановить всю спиновую матрицу по данным распадов, проверить квантовую запутанность и даже обойти одну известную теорему о невозможности. Всё это уже можно применить к реальным экспериментам — например, к рождению пар лямбда-гиперонов на установке BESIII или тау-лептонов на Большом адронном коллайдере.
Спиновая матрица плотности ранга 1 описывает чистое квантовое состояние — самое упорядоченное, какое только возможно, без всякой примеси случайности.