Los físicos han observado por primera vez el entrelazamiento cuántico entre quarks (los componentes básicos de los protones y neutrones). Este descubrimiento, realizado en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN, cerca de Ginebra (Suiza), marca una nueva frontera en el estudio de la mecánica cuántica y abre las puertas a la exploración de cómo se comporta la información cuántica en entornos de alta energía.
Durante décadas, el entrelazamiento cuántico ha sido un fenómeno muy estudiado. Describe un estado en el que dos partículas, sin importar la distancia entre ellas, se vinculan tan profundamente que sus destinos están entrelazados. Por ejemplo, dos electrones entrelazados permanecen conectados de modo que cuando se mide el espín de uno y se descubre que está “arriba”, el otro, incluso a años luz de distancia, tendrá simultáneamente un espín “abajo”.
Sin embargo, hasta ahora, el entrelazamiento se ha observado principalmente en entornos de baja energía, lugares donde las condiciones tranquilas facilitan las mediciones delicadas. Detectarlo en las caóticas consecuencias de las colisiones de protones en el LHC, donde los niveles de energía se disparan, es un desafío mucho mayor.
Rompiendo la barrera de las altas energías
El experimento en el CERN se llevó a cabo en el detector ATLAS. Aquí los físicos analizaron datos de aproximadamente un millón de pares de quarks top y anti-top. Estas son las partículas elementales más pesadas conocidas y sus contrapartes de antimateria. Estos quarks existen solo brevemente antes de desintegrarse en otras partículas, y viven solo 10-25 segundos (cero coma 25 decimales de segundo). A pesar de su naturaleza efímera, los científicos encontraron evidencia clara de entrelazamiento cuántico. Los resultados se publicaron en la revista Nature en septiembre.
Giulia Negro, una física de la Universidad de Purdue que trabajó en un análisis paralelo con el detector CMS del CERN, expresó su entusiasmo por el descubrimiento. “Es realmente interesante porque es la primera vez que se puede estudiar el entrelazamiento a las energías más altas posibles obtenidas con el LHC”, dijo a Nature.
Aunque puede que a los físicos no les sorprenda que los quarks puedan estar entrelazados (después de todo, la mecánica cuántica, la teoría que gobierna las partículas más pequeñas del universo, predice esto), el descubrimiento es muy significativo.
“Realmente no esperas romper la mecánica cuántica, ¿verdad?”, dijo Juan Aguilar-Saavedra, un físico teórico de Madrid. “Tener un resultado esperado no debe impedirte medir cosas que son importantes”.
¿Por qué quarks top?
La idea de medir el entrelazamiento en quarks top surgió de una conversación informal entre dos físicos, Yoav Afik y Juan Muñoz de Nova, hace varios años. Se preguntaron si era posible detectar el entrelazamiento cuántico en el entorno de alta energía del LHC. Su lluvia de ideas finalmente condujo a un método para medir los espines de los quarks top y determinar si esos espines estaban entrelazados.
Una razón por la que los quarks top eran ideales para este estudio es su corta vida útil. A diferencia de los quarks más ligeros, que se combinan rápidamente con otros para formar partículas más grandes como protones y neutrones, los quarks top se desintegran tan rápidamente que conservan su información de espín. Esto permitió a los investigadores trabajar hacia atrás a partir de los productos de desintegración para inferir las propiedades de los quarks originales. Los equipos de ATLAS y CMS compararon sus datos experimentales con modelos teóricos y descubrieron que ambos cumplían fácilmente el umbral matemático del entrelazamiento.
Implicaciones para el futuro
Esta observación de quarks entrelazados podría cambiar la forma en que los científicos abordan la física de alta energía. Incluso podría allanar el camino para pruebas más rigurosas de la mecánica cuántica. Por ejemplo, los investigadores pueden utilizar el esquivo bosón de Higgs para realizar una prueba de Bell, un experimento de referencia para investigar el entrelazamiento.
Los autores esperan que este éxito cambie la forma en que los físicos ven el potencial de los colisionadores de partículas. Después de todo, el entrelazamiento ha sido confirmado desde hace mucho tiempo en sistemas de baja energía. Pero ahora que el fenómeno ha sido comprobado en el caos de alta energía del LHC, hay todo un nuevo reino de fenómenos cuánticos esperando ser explorado. Este avance señala un nuevo y apasionante capítulo en el estudio del entrelazamiento cuántico y podría ser el comienzo de una comprensión más profunda de las partículas más fundamentales del universo.
Fuente: ZME Science.
