Se observa por primera vez una ‘acción fantasmal a distancia’ en quarks

Por Dan Garisto & Revista naturaleza

Los científicos han observado por primera vez entrelazamiento cuántico —un estado en el que las partículas se entremezclan, perdiendo su individualidad y ya no se las puede describir por separado— entre quarks. La hazaña, lograda en el CERN, el laboratorio europeo de física de partículas cerca de Ginebra, Suiza, podría abrir la puerta a nuevas investigaciones sobre información cuántica en partículas a altas energías.

El entrelazamiento se ha medido en partículas como electrones y fotones durante décadas, pero es un fenómeno delicado y más fácil de medir en entornos de baja energía o «silenciosos», como en los refrigeradores ultrafríos que albergan computadoras cuánticas. Colisiones de partículas, como las que se producen entre protones en el CERN. Gran Colisionador de Hadronesson comparativamente ruidosos y de alta energía, lo que hace mucho más difícil medir el entrelazamiento de sus desechos, como escuchar un susurro en un concierto de rock.

Para observar el entrelazamiento en el LHC, los físicos que trabajan en el detector ATLAS analizaron alrededor de un millón de pares de quarks top y anti-quarks top (las partículas fundamentales más pesadas conocidas y sus contrapartes de antimateria). Encontraron evidencia estadísticamente abrumadora de entrelazamiento, que anunciaron en septiembre del año pasado y describen en detalle hoy en Naturaleza. Los físicos que trabajan en el otro detector principal del LHC, CMS, también confirmaron la observación del entrelazamiento en un informe publicado en el servidor de preimpresión. arXiv en junio.

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«Es realmente interesante porque es la primera vez que se puede estudiar el entrelazamiento a las energías más altas posibles obtenidas con el LHC», dice Giulia Negro, física de partículas de la Universidad de Purdue en West Lafayette, Indiana, que trabajó en el análisis del CMS.

Los científicos no han tenido ninguna duda de que los pares de quarks top pueden estar entrelazados. modelo estándar de física de partículas —la mejor teoría actual sobre partículas fundamentales y fuerzas a través de las cuales interactúan— se basa en la mecánica cuántica, que describe el entrelazamiento. Pero la última medición es, no obstante, valiosa, dicen los investigadores.

“No esperas realmente romper la mecánica cuántica, ¿verdad?”, dice Juan Aguilar-Saavedra, físico teórico del Instituto de Física Teórica de Madrid. “Tener un resultado esperado no debe impedirte medir cosas que son importantes”.

Máximos transitorios

Hace años, durante una pausa para el café, Yoav Afik, físico experimental que ahora trabaja en la Universidad de Chicago en Illinois, y Juan Muñoz de Nova, físico de materia condensada que ahora trabaja en la Universidad Complutense de Madrid, se preguntaron si era posible observar el entrelazamiento en un colisionador. Su charla se convirtió en una Un papel que estableció un camino para medir el entrelazamiento utilizando quarks top.

Los pares de quarks top y anti-top creados como consecuencia de una colisión de protones viven vidas infinitesimalmente cortas: duran 10^-25 segundos. Luego se desintegran en partículas de vida más larga.

Estudios previos habían descubierto que durante sus cortas vidas, los quarks top pueden tener un «espín» correlacionado, una propiedad cuántica similar al momento angular. Afik y Muñoz de Nova se dieron cuenta de que esta medición podía extenderse para mostrar que los espines de los quarks top no estaban algo correlacionados, sino verdaderamente entrelazados. Definieron un parámetro, Dpara describir el grado de correlación. Si D Si fuera menor que -1/3, los quarks top estarían entrelazados.

Parte de lo que finalmente hizo que la propuesta de Afik y Muñoz de Nova funcionara es la corta vida de los quarks top. “Nunca se podría hacer esto con quarks más ligeros”, dice James Howarth, físico experimental de la Universidad de Glasgow, Reino Unido, que participó en el análisis ATLAS junto con Afik y Muñoz de Nova. A los quarks realmente no les gusta estar separados, por lo que después de apenas 10^-24 En segundos, comienzan a mezclarse entre sí para formar hadrones como protones y neutrones. Pero un quark top se desintegra lo suficientemente rápido como para no tener tiempo de «hadronizarse» y perder su información de espín a través de la mezcla, dice Howarth. En cambio, toda esa información «se transfiere a sus partículas de desintegración», agrega. Esto significó que los investigadores podían medir las propiedades de los productos de desintegración para trabajar a la inversa e inferir las propiedades, incluido el espín, de los quarks top progenitores.

Después de realizar una medición experimental de los espines de los quarks top, los equipos compararon sus resultados con las predicciones teóricas, pero los modelos de producción y desintegración de los quarks top no coincidían con las mediciones del detector.

Los investigadores de ATLAS y CMS abordaron las incertidumbres de distintas maneras. El equipo de CMS, por ejemplo, descubrió que añadir «toponio» (un estado hipotético en el que un quark top y un antiquark top están unidos) a sus análisis ayudaba a que la teoría y el experimento coincidieran mejor.

Al final, ambos experimentos cumplieron fácilmente el límite de entrelazamiento de -1/3, y ATLAS midió D ser -0,537 y CMS -0,480.

Rematando

El éxito en la observación del entrelazamiento en los quarks top podría mejorar la comprensión de los investigadores sobre la física de los quarks top y allanar el camino para futuras pruebas de entrelazamiento de alta energía. Otras partículas, como El bosón de Higgsincluso podría utilizarse para realizar una prueba de Bell, una prueba de entrelazamiento aún más rigurosa.

Afik afirma que el experimento del quark top podría cambiar la forma de pensar de los físicos. “Al principio fue un poco difícil convencer a la comunidad” de que el estudio valía la pena, dice. Después de todo, el entrelazamiento es una piedra angular de la mecánica cuántica y ha sido verificado una y otra vez.

Pero el hecho de que el entrelazamiento no haya sido estudiado rigurosamente a altas energías es justificación suficiente para Afik y otros aficionados al fenómeno. “La gente se ha dado cuenta de que ahora se pueden empezar a utilizar colisionadores de hadrones y otros tipos de colisionadores para realizar estas pruebas”, afirma Howarth.

Este artículo se reproduce con permiso y fue publicado por primera vez el 18 de septiembre de 2024.