Los físicos observan por primera vez los quarks superiores turbulentos

Los físicos han observado por primera vez el entrelazamiento cuántico entre los quarks, los componentes fundamentales de los protones y los 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 la puerta a explorar cómo actúa la información cuántica en entornos de alta energía.

Durante décadas, el entrelazamiento cuántico ha sido un fenómeno bien estudiado. Describe un estado en el que dos partículas, sin importar cuán alejadas estén, se vinculan tan profundamente que sus destinos se entrelazan. Por ejemplo, dos electrones entrelazados permanecen conectados de modo que cuando se mide el espín de uno y se determina que está «arriba», el otro, incluso a años luz de distancia, tendrá simultáneamente un espín «abajo».

Sin embargo, hasta ahora, el enredo se ha observado principalmente en entornos de baja potencia, lugares donde las condiciones silenciosas facilitan las mediciones delicadas. Su detección en las caóticas consecuencias de las colisiones de protones en el LHC, donde aumentan los niveles de energía, es mucho más desafiante.

Rompiendo la barrera de la alta energía

El experimento del CERN se llevó a cabo con el detector ATLAS. Aquí los físicos examinaron datos de alrededor de 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 sólo brevemente antes de desintegrarse en otras partículas, que viven sólo 10^-25 segundos (punto cero 25 segundos decimales). A pesar de su naturaleza efímera, los científicos han encontrado pruebas claras de entrelazamiento cuántico. Los resultados fueron publicados en la revista. Naturaleza en septiembre.

Giulia Negro, física de la Universidad 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 con las energías más altas posibles logradas con el LHC», dijo. Naturaleza.

Si bien puede que no sorprenda a los físicos que los quarks puedan entrelazarse (después de todo, la mecánica cuántica, la teoría que gobierna las partículas más pequeñas del universo, predice esto), el descubrimiento es muy significativo.

«En realidad no esperas romper la mecánica cuántica, ¿verdad?» dijo Juan Aguilar-Saavedra, físico teórico de Madrid. «Tener un resultado esperado no debería impedirte medir las cosas que importan».

¿Por qué los mejores quarks?

La idea de medir el entrelazamiento de los quarks superiores surgió de una conversación informal entre dos físicos, Yoav Afik y Juan Muñoz de Nova, hace varios años. Se preguntaron si era posible encontrar 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 superiores y determinar si esos espines estaban entrelazados.

Una de las razones por las que los quarks top fueron 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 superiores se desintegran tan rápidamente que retienen información sobre su giro. Esto permitió a los investigadores trabajar hacia atrás a partir de los productos de desintegración para deducir 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 límite matemático de entrelazamiento.

Implicaciones para el futuro

Esta observación de quarks entrelazados podría cambiar la forma en que los científicos abordan la física de altas energías. Incluso podría allanar el camino para pruebas más rigurosas de la mecánica cuántica. Por ejemplo, los investigadores pueden utilizar el escurridizo bosón de Higgs para realizar una prueba de Bell, un experimento estándar de oro para sondear 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 se ha confirmado desde hace mucho tiempo en sistemas de baja energía. Pero ahora que el fenómeno ha sido probado en el caos de alta energía del LHC, hay un campo completamente nuevo de fenómenos cuánticos esperando ser explorado.

Este avance marca un nuevo y apasionante capítulo en el estudio del entrelazamiento cuántico y puede ser sólo el comienzo de una comprensión más profunda de las partículas más fundamentales del universo.