Gli scienziati hanno per la prima volta Intreccio quantistico osservato - uno stato in cui le particelle si fondono insieme e perdono la loro individualità in modo che non possano più essere descritte separatamente - tra quark. Questo straordinario evento, ottenuto al CERN, il laboratorio europeo di fisica delle particelle vicino a Ginevra, in Svizzera, potrebbe aprire la strada a ulteriori studi sull'informazione quantistica nelle particelle ad alte energie.

L’entanglement è stato misurato per decenni in particelle come elettroni e fotoni, ma è un fenomeno delicato ed è più facile da misurare in ambienti a bassa energia o “silenziosi”, come i frigoriferi ultra-freddi che Computer quantistici ospitare. Collisioni di particelle, come quelle tra protoni Grande collisore di adroni dal CERN, sono relativamente rumorosi e ad alta energia, rendendo molto più difficile misurare l'entanglement dai detriti, un po' come ascoltare un sussurro durante un concerto rock.

Per osservare l’entanglement all’LHC, i fisici che lavorano sul rivelatore ATLAS hanno analizzato circa un milione di coppie di quark top e antitop – le più pesanti tra tutte le particelle elementari conosciute e le loro controparti di antimateria. Hanno trovato prove statisticamente schiaccianti di entanglement, che hanno annunciato lo scorso settembre e oggi sul JournalNatura 1descrivere in dettaglio. Anche i fisici che lavorano sull'altro rilevatore principale dell'LHC, CMS, hanno confermato l'osservazione dell'entanglement in un rapporto pubblicato a giugno sul server di prestampa arXiv 2.

"È davvero interessante perché è la prima volta che puoi studiare l'entanglement alle massime energie possibili, cosa che si ottiene con LHC", afferma Giulia Negro, fisica delle particelle alla Purdue University di West Lafayette, Indiana, coinvolta nell'analisi CMS.

Gli scienziati non avevano dubbi sul fatto che le coppie di quark top potessero essere legate. IL Modello standard della fisica delle particelle – l’attuale migliore teoria sulle particelle elementari e le forze attraverso le quali interagiscono – si basa sulla meccanica quantistica, che descrive l’entanglement. Tuttavia, i ricercatori affermano che l’ultima misurazione ha valore.

"Davvero non ti aspetti di riuscire a violare la meccanica quantistica, vero?" dice Juan Aguilar-Saavedra, fisico teorico dell'Istituto di fisica teorica di Madrid. "Un risultato atteso non dovrebbe impedirti di misurare cose importanti."

Cime transitorie

Anni fa, durante una pausa caffè, Yoav Afik, un fisico sperimentale ora presso l’Università di Chicago, nell’Illinois, e Juan Muñoz de Nova, un fisico della materia solida ora presso l’Università Complutense di Madrid, si chiedevano se fosse possibile osservare l’entanglement in un acceleratore di collisione. La loro conversazione si è trasformata in un giornale 3, che ha dimostrato un modo per misurare l'entanglement utilizzando i quark top.

Le coppie di quark top e antitop create dopo una collisione di protoni vivono vite inimmaginabilmente brevi: solo 10−25secondi. Successivamente si scompongono in particelle a vita più lunga.

Studi precedenti 4aveva rivelato che i quark top possono avere stati di “spin” correlati durante la loro breve vita, una proprietà quantistica che è il momento angolare. L'intuizione di Afik e Muñoz de Nova è stata che questa misurazione potrebbe essere estesa per mostrare che gli stati di spin dei quark top non sono solo correlati, ma effettivamente intrecciati. Hai definito un parametro,Dper descrivere il livello di correlazione. SeDè più piccolo di −⅓, i quark top sono entangled.

Parte di ciò che alla fine ha reso vincente la proposta di Afik e Muñoz de Nova è la breve vita dei quark top. “Non si potrebbe mai fare una cosa simile con i quark più leggeri”, dice James Howarth, un fisico sperimentale dell’Università di Glasgow, nel Regno Unito, che ha preso parte all’analisi ATLAS insieme ad Afik e Muñoz de Nova. I quark non amano separarsi, quindi si dividono dopo appena 10−24I secondi iniziano a mescolarsi per formare adroni come protoni e neutroni. Ma un quark top decade abbastanza velocemente da non avere il tempo di "adronizzarsi" e perdere le informazioni sullo spin attraverso la miscelazione, spiega Howarth. Invece, “tutta questa informazione viene trasferita ai suoi prodotti di decadimento”, aggiunge. Ciò significava che i ricercatori potevano misurare le proprietà dei prodotti di decadimento per lavorare all'indietro e ricavare le proprietà, compreso lo spin, dei quark top genitori.

Dopo aver effettuato una misurazione sperimentale degli spin dei quark top, i team hanno confrontato i loro risultati con le previsioni teoriche. Ma i modelli della produzione e del decadimento dei quark top non concordavano con le misurazioni del rilevatore.

I ricercatori di ATLAS e CMS hanno affrontato le incertezze in modi diversi. Ad esempio, il team CMS ha scoperto che l’aggiunta del “toponio” – uno stato ipotetico in cui un quark top e un quark antitop sono legati insieme – alle loro analisi ha aiutato ad allineare meglio teoria ed esperimento.

Alla fine, entrambi gli esperimenti hanno raggiunto facilmente il limite di entanglement −⅓, con ATLASDcon −0,537 e CMS con −0,480.

Posizionamento della corona

Il successo nell'osservazione dell'entanglement nei quark top potrebbe migliorare la comprensione da parte dei ricercatori della fisica dei quark top e aprire la strada a futuri test dell'entanglement ad alta energia. Altre particelle, come il bosone di Higgs, potrebbe anche essere utilizzato per eseguire un test di Bell, uno studio ancora più rigoroso dell'entanglement.

L’esperimento sul quark top potrebbe cambiare il modo di pensare dei fisici, dice Afik. “All’inizio è stato un po’ difficile convincere la comunità” che lo studio valeva il tempo, dice. Dopotutto, l’entanglement è una pietra angolare della meccanica quantistica ed è stato verificato più e più volte.

Ma il fatto che l’entanglement non sia stato esplorato a fondo nelle regioni ad alta energia è una ragione sufficiente per Afik e gli altri seguaci del fenomeno. "Le persone si sono rese conto che ora è possibile iniziare a utilizzare acceleratori di collisione adronici e altri tipi di acceleratori per questi test", afferma Howarth.