Os cientistas conseguiram pela primeira vez Emaranhamento quântico observado - um estado em que as partículas se fundem e perdem a sua individualidade de modo que não podem mais ser descritas separadamente - entre quarks. Este evento notável, realizado no CERN, o laboratório europeu de física de partículas perto de Genebra, na Suíça, poderá abrir caminho para estudos adicionais de informação quântica em partículas em altas energias.

O emaranhamento tem sido medido em partículas como elétrons e fótons há décadas, mas é um fenômeno delicado e mais fácil de medir em ambientes de baixa energia ou "silenciosos", como os refrigeradores ultrafrios que Computadores quânticos acomodar. Colisões de partículas, como aquelas entre prótons Grande Colisor de Hádrons do CERN, são comparativamente altos e de alta energia, tornando muito mais difícil medir o emaranhamento dos escombros – semelhante a ouvir um sussurro em um show de rock.

Para observar o emaranhamento no LHC, os físicos que trabalham no detector ATLAS analisaram cerca de um milhão de pares de quarks top e antitop – as mais pesadas de todas as partículas elementares conhecidas e as suas contrapartes de antimatéria. Eles encontraram evidências estatisticamente contundentes de emaranhamento, que anunciaram em setembro passado e no Journal hojeNatureza 1descreva em detalhes. Os físicos que trabalham no outro detector principal do LHC, o CMS, também confirmaram a observação do emaranhamento em um relatório publicado em junho no servidor de pré-impressão arXiv. 2.

“É realmente interessante porque é a primeira vez que se pode estudar o emaranhamento nas energias mais altas possíveis, o que é conseguido com o LHC”, diz Giulia Negro, física de partículas da Purdue University em West Lafayette, Indiana, que esteve envolvida na análise do CMS.

Os cientistas não tinham dúvidas de que os pares de quarks superiores poderiam estar emaranhados. O Modelo padrão de física de partículas – a melhor teoria atual sobre partículas elementares e as forças através das quais elas interagem – baseia-se na mecânica quântica, que descreve o emaranhamento. Ainda assim, os investigadores dizem que a medição mais recente tem valor.

“Você realmente não espera ser capaz de quebrar a mecânica quântica, não é?” diz Juan Aguilar-Saavedra, físico teórico do Instituto de Física Teórica de Madrid. “Um resultado esperado não deve impedir você de medir coisas importantes.”

Topos transitórios

Durante uma pausa para o café, anos atrás, Yoav Afik, um físico experimental agora na Universidade de Chicago, em Illinois, e Juan Muñoz de Nova, um físico de matéria sólida agora na Universidade Complutense de Madri, se perguntaram se seria possível observar o emaranhamento em um acelerador de colisão. A conversa deles se transformou em um jornal 3, que demonstrou uma maneira de medir o emaranhamento usando quarks superiores.

Pares de quarks top e antitop criados após uma colisão de prótons vivem vidas inimaginavelmente curtas – apenas 10−25segundos. Eles então se decompõem em partículas de vida mais longa.

Estudos anteriores 4revelaram que os quarks top podem ter estados de “spin” correlacionados durante seus curtos tempos de vida, uma propriedade quântica que é o momento angular. A conclusão de Afik e Muñoz de Nova foi que esta medição poderia ser estendida para mostrar que os estados de spin dos quarks top não estão apenas correlacionados, mas na verdade emaranhados. Você definiu um parâmetro,Dpara descrever o nível de correlação. SeDé menor que −⅓, os quarks superiores estão emaranhados.

Parte do que tornou a proposta de Afik e Muñoz de Nova bem-sucedida foi a curta vida útil dos quarks superiores. “Nunca poderíamos fazer isto com quarks mais leves”, diz James Howarth, físico experimental da Universidade de Glasgow, no Reino Unido, que fez parte da análise ATLAS juntamente com Afik e Muñoz de Nova. Quarks não gostam de se separar, então eles se separam depois de apenas 10−24Os segundos começam a se misturar para formar hádrons, como prótons e nêutrons. Mas um quark top decai com rapidez suficiente para não ter tempo de ficar "hadronizado" e perder a informação de spin através da mistura, explica Howarth. Em vez disso, “toda esta informação é transferida para os seus produtos de decomposição”, acrescenta. Isso significava que os pesquisadores poderiam medir as propriedades dos produtos de decaimento para trabalhar de trás para frente e derivar as propriedades, incluindo o spin, dos quarks superiores parentais.

Depois de fazerem uma medição experimental dos spins dos quarks superiores, as equipas compararam os seus resultados com previsões teóricas. Mas os modelos de produção e decaimento dos quarks superiores não concordaram com as medições do detector.

Os investigadores do ATLAS e do CMS lutaram com as incertezas de diferentes maneiras. Por exemplo, a equipe do CMS descobriu que adicionar “topônio” – um estado hipotético no qual um quark top e antitop estão ligados – às suas análises ajudou a alinhar melhor a teoria e o experimento.

No final, ambos os experimentos atingiram facilmente o limite de emaranhamento −⅓, com ATLASDcom −0,537 e CMS com −0,480.

Colocação da coroa

O sucesso na observação do emaranhamento nos quarks superiores poderia melhorar a compreensão dos pesquisadores sobre a física dos quarks superiores e abrir caminho para futuros testes de emaranhamento de alta energia. Outras partículas, como o bóson de Higgs, poderia até ser usado para realizar um teste de Bell, um estudo ainda mais rigoroso de emaranhamento.

A experiência do quark top pode mudar a forma como os físicos pensam, diz Afik. “No início foi um pouco difícil convencer a comunidade” de que valia a pena investir tempo no estudo, diz ele. Afinal, o emaranhamento é a pedra angular da mecânica quântica e tem sido verificado inúmeras vezes.

Mas o facto de o emaranhamento não ter sido completamente explorado em regiões de alta energia é razão suficiente para Afik e os outros seguidores do fenómeno. “As pessoas perceberam que agora você pode começar a usar aceleradores de colisão de hádrons e outros tipos de aceleradores para esses testes”, diz Howarth.