Los científicos han logrado por primera vez Entrelazamiento cuántico observado (un estado en el que las partículas se fusionan y pierden su individualidad de modo que ya no pueden describirse por separado) entre quarks. Este notable evento, logrado en el CERN, el laboratorio europeo de física de partículas cerca de Ginebra, Suiza, podría allanar el camino para futuros estudios de información cuántica en partículas de altas energías.

El entrelazamiento se ha medido en partículas como electrones y fotones durante décadas, pero es un fenómeno delicado y es más fácil de medir en ambientes de baja energía o "silenciosos", como los refrigeradores ultrafríos que Computadoras cuánticas acomodar. Colisiones de partículas, como las entre protones. Gran Colisionador de Hadrones del CERN, son comparativamente ruidosos y de alta energía, lo que hace mucho más difícil medir el enredo de los escombros, similar a 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 antitop, las partículas elementales más pesadas conocidas y sus contrapartes de antimateria. Encontraron evidencia estadísticamente abrumadora de entrelazamiento, que anunciaron en septiembre pasado y hoy en el Journal.Naturaleza 1describir en detalle. Los físicos que trabajan en el otro detector principal del LHC, el CMS, también confirmaron la observación del entrelazamiento en un informe publicado en junio en el servidor de preimpresión arXiv. 2.

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

Los científicos no tenían ninguna duda de que los pares de quarks superiores podían entrelazarse. El Modelo estándar de física de partículas. (la mejor teoría actual sobre las partículas elementales y las fuerzas a través de las cuales interactúan) se basa en la mecánica cuántica, que describe el entrelazamiento. Aún así, los investigadores dicen que la última medición tiene valor.

"Realmente no esperas poder descifrar la mecánica cuántica, ¿verdad?" dice Juan Aguilar-Saavedra, físico teórico del Instituto de Física Teórica de Madrid. "Un resultado esperado no debería impedirle medir cosas importantes".

Tapas transitorias

Hace años, durante una pausa para tomar café, Yoav Afik, físico experimental ahora en la Universidad de Chicago en Illinois, y Juan Muñoz de Nova, físico de materia sólida ahora en la Universidad Complutense de Madrid, se preguntaron si era posible observar el entrelazamiento en un acelerador de colisión. Su conversación se convirtió en un papel. 3, que demostró una forma de medir el entrelazamiento utilizando quarks top.

Los pares de quarks top y antitop creados después de una colisión de protones viven vidas inimaginablemente cortas: solo 10−25artículos de segunda clase. Luego se descomponen en partículas de vida más larga.

Estudios previos 4había revelado que los quarks superiores pueden tener estados de "giro" correlacionados durante sus cortas vidas, una propiedad cuántica que es el momento angular. La idea de Afik y Muñoz de Nova fue que esta medición podría ampliarse para mostrar que los estados de espín de los quarks top no sólo están correlacionados, sino que en realidad están entrelazados. Definiste un parámetro,Dpara describir el nivel de correlación. SiDes menor que −⅓, los quarks superiores están entrelazados.

Parte de lo que finalmente hizo exitosa la propuesta de Afik y Muñoz de Nova es la corta vida útil de los quarks superiores. “Nunca se podría hacer esto con quarks más ligeros”, dice James Howarth, físico experimental de la Universidad de Glasgow, Reino Unido, que formó parte del análisis ATLAS junto con Afik y Muñoz de Nova. A los quarks no les gusta separarse, por eso se dividen después de solo 10−24Los segundos comienzan a mezclarse 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 al mezclarse, explica Howarth. En cambio, "toda esta información se transfiere a sus productos de descomposición", añade. Esto significó que los investigadores podían medir las propiedades de los productos de desintegración para trabajar hacia atrás y derivar las propiedades, incluido el espín, de los quarks top originales.

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

Los investigadores de ATLAS y CMS lucharon contra las incertidumbres de diferentes maneras. Por ejemplo, el equipo de CMS descubrió que agregar “toponio” (un estado hipotético en el que un quark top y antitop están unidos) a sus análisis ayudó a alinear mejor la teoría y el experimento.

Al final, ambos experimentos alcanzaron fácilmente el límite de entrelazamiento −⅓, con ATLASDcon −0,537 y CMS con −0,480.

Colocación de la corona

El éxito en la observación del entrelazamiento de 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 Higgs, incluso podría usarse para realizar una prueba de Bell, un estudio de entrelazamiento aún más riguroso.

El experimento del quark top podría cambiar la forma de pensar de los físicos, afirma Afik. “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 explorado a fondo en regiones de alta energía es razón suficiente para Afik y los demás seguidores del fenómeno. "La gente se ha dado cuenta de que ahora se pueden empezar a utilizar aceleradores de colisión de hadrones y otros tipos de aceleradores para estas pruebas", afirma Howarth.