El detector ATLAS, parte del Gran Colisionador de Hadrones, está situado a 100 metros bajo tierra, donde mide diversas propiedades de partículas de alta energía.Fuente: Maximilian Price/CERN
Los científicos lo han notado por primera vez. Entrelazamiento cuántico – Es el estado en el que las partículas se mezclan, por lo que pierden su individualidad y no pueden describirse por separado – entre quarks. Este logro, logrado en el CERN, el laboratorio europeo de física de partículas cerca de Ginebra, Suiza, puede abrir la puerta a futuras investigaciones 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 más fácil de medir en ambientes de baja energía o “silenciosos”, como refrigeradores ultrafríos que contienen Computadoras cuánticas. Colisiones de partículas, como las que ocurren entre protones en el CERN Gran Colisionador de Hadronesson relativamente ruidosos y tienen mucha energía, lo que hace que el enredo causado por sus escombros sea mucho más difícil de medir, como escuchar un silbido en un concierto de rock.
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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 fundamentales más pesadas conocidas y sus contrapartes de antimateria. Encontraron evidencia estadísticamente convincente de entrelazamiento, lo informaron en septiembre del año pasado y lo describieron en detalle hoy en Science Daily. naturaleza1Los físicos que trabajan en el otro detector principal del LHC, el CMS, también confirmaron la observación del entrelazamiento en un informe publicado en el servidor de preimpresión arXiv en junio.2.
“Es realmente interesante porque es la primera vez que se puede estudiar el entrelazamiento con las energías más altas posibles obtenidas con el LHC”, dice Julia Nigro, física de partículas de la Universidad Purdue en West Lafayette, Indiana, que trabajó en el análisis del CMS.
Los científicos no tenían ninguna duda de que los pares de quarks superiores podían entrelazarse. Modelo estándar de física de partículas La mejor teoría actual sobre las partículas fundamentales y las fuerzas a través de las cuales interactúan se basa en la mecánica cuántica, que describe el entrelazamiento. Pero los investigadores dicen que esta última medición sigue siendo valiosa.
“En realidad no se espera que la mecánica cuántica se rompa, ¿verdad?”, dice Juan Aguilar Saavedra, físico teórico del Instituto de Física Teórica de Madrid. “Tener un resultado predecible no debería impedirle medir las cosas que importan”.
Picos temporales
Hace años, durante una pausa para el café, Yoav Avek, físico experimental de la Universidad de Chicago en Illinois, y Juan Muñoz de Nova, físico de la materia condensada de la Universidad Complutense de Madrid, se preguntaron si se podría observar el entrelazamiento en un colisionador. Su conversación se convirtió en un trabajo de investigación.3 quien estableció un camino para medir el entrelazamiento utilizando top quarks.
Los pares de quarks top y anti-top que surgen después de la colisión de protones tienen vidas extremadamente cortas: duran alrededor de 10-25 Artículos de segunda clase. Luego se descomponen en moléculas de vida más larga.
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Estudios previos4 Descubrieron que durante sus cortas vidas, los quarks superiores pueden tener un “giro” coherente, una propiedad cuántica similar al momento angular. Afek y Muñoz de Nova se dieron cuenta de que esta analogía podría ampliarse para mostrar que los espines de los quarks superiores no sólo están correlacionados, sino que están verdaderamente entrelazados. Han seleccionado un parámetro, Dpara describir el grado de correlación. si D Si es inferior a -1/3, los quarks superiores se entrelazarán.
Parte de lo que hizo que la propuesta de Avek y Muñoz de Nova finalmente funcionara fue la corta vida útil de los quarks top. “Nunca se podría hacer eso con quarks más ligeros”, dice James Howarth, físico experimental de la Universidad de Glasgow en el Reino Unido, que formó parte del análisis ATLAS con AFIC y Muñoz de Nova. Los quarks realmente odian la separación, por lo que después de sólo 10 minutos, los quarks pueden descomponerse en quarks más pequeños.-24 El quark top se desintegra lo suficientemente rápido como para no tener tiempo de “convertirse en hadrones” y perder su información de espín al mezclarse, dice Haworth. En cambio, añade, “toda esta información se transfiere a sus propias partículas de desintegración”. Esto significa que los investigadores pueden medir las propiedades de los productos de desintegración para trabajar hacia atrás e inferir las propiedades de los top quarks originales, incluido el espín.
Después de medir experimentalmente el giro del quark top, los dos 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 han abordado la incertidumbre de diferentes maneras. Por ejemplo, el equipo de CMS descubrió que agregar “toponio” (un estado hipotético en el que un quark superior y un antiquark están unidos) a sus análisis ayudó a que la teoría y los experimentos concordaran mejor.
Al final, ambos experimentos alcanzaron fácilmente el umbral de entrelazamiento de -1/3, con la medición ATLAS D Eso es -0,537 y CMS mide -0,480.
Coronación
La observación exitosa del entrelazamiento de los quarks top puede 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. Hay otras partículas, por ejemplo bosón de HiggsIncluso se pueden utilizar para realizar la prueba de Bell, que es una prueba más estricta de reticulación.
Afek dice que el experimento del quark top puede 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 la base 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 a altas energías es justificación suficiente para Avik y otros entusiastas del 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 Haworth.