Enredo cuántico 'espeluznante' descubierto dentro de protones individuales por primera vez
Los físicos han presentado hace mucho tiempo que los bloques de construcción de protones experimentaron enredos cuánticos. Ahora, los investigadores tienen la primera evidencia directa, después de usar un truco para inferir la entropía de las partículas subatómicas.
Los científicos han mirado dentro de los protones y descubrieron que los quarks y los gluones, sus bloques de construcción fundamentales, la experiencia enredo cuántico .
Las partículas enredadas están conectadas entre sí, de modo que un cambio a uno causa un cambio instantáneamente en el otro, incluso si están separados por vastas distancias. Albert Einstein descartó la idea como "acción espeluznante a distancia", pero los experimentos posteriores demostraron que el extraño efecto que rompe la localidad es real.
Los físicos han observado enredos entre quarks antes de , pero nunca habían encontrado evidencia de que existan en un estado cuantitamente conectado dentro de los protones.
Ahora, un equipo de investigadores ha descubierto enredos entre quarks y gluons dentro de los protones de una distancia de una cuadrillonésima parte de un metro, lo que permite a las partículas compartir información a través del protón. Los investigadores publicaron sus hallazgos el 2 de diciembre de 2024 en la revista informes sobre el progreso en física .
"Durante décadas, hemos tenido una visión tradicional del protón como una colección de quarks y gluons, y nos hemos centrado en comprender las llamadas propiedades de una sola partícula, incluidas la forma en que se distribuyen los quarks y los gluones dentro del protón". El coautor del estudio zhoudunming tu , un físico en el Laboratorio Nacional de Brookhaven en Upton, Nueva York, en un comunicado . "Ahora, con evidencia de que los quarks y los gluones están enredados, esta imagen ha cambiado. Tenemos un sistema mucho más complicado y dinámico".
'Acción espeluznante' a la escala más pequeña
La prueba experimental del enredo cuántico surgió por primera vez en la década de 1970 , pero muchos aspectos del fenómeno permanecen relativamente inexplorados, incluidas las interacciones enredadas entre los quarks. Esto se debe principalmente a que las partículas subatómicas no existen solas y, en cambio, se fusionan en varias combinaciones de partículas conocidas como hadrones. Por ejemplo, los bariones, como protones y neutrones, son combinaciones de tres quarks unidos bien por fuertes gluones de fuerza .
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Cuando los quarks individuales se arrancan de los hadrones, la energía utilizada para extraerlos los hace inestables, transformándolos en chorros ramificados de partículas en un proceso llamado hadronización. Esto hace que la tarea de tamizar a través de los billones de productos de descomposición de partículas para reconstruir su estado original sea increíblemente difícil.
Pero eso es exactamente lo que hicieron los investigadores. Para sondear el funcionamiento interno de los protones, los científicos extrajeron datos recopilados por los experimentos de colisionador de anillo de hadrones grandes (LHC) y acelerador de anillo de hadrones de electrones (HERA).
Luego aplicaron un principio de la ciencia de la información cuántica que dice que la entropía de un sistema (una medida de cuántos estados de energía se puede organizar un sistema, a menudo se conoce incorrectamente como "trastorno" ) aumenta con su enredo, haciendo que la distribución de los aerosoles de partículas parezca más desordenado.
Al comparar los aerosoles de partículas con los cálculos de su entropía, los físicos descubrieron que los quarks y los gluones dentro de los protones colisionados existían en un estado enredado al máximo, cada uno compartiendo la mayor información posible.
"La entropía generalmente se asocia con la incertidumbre en cierta información, mientras que el enredo lleva a la información a 'compartir' entre las dos partes enredadas. Por lo tanto, estos dos pueden estar relacionados entre sí en mecánica cuántica ", dijo TU a Live Science en un correo electrónico. "Usamos la entropía predicha (con enredo asumido) para verificar con lo que dicen los datos, y encontramos un gran acuerdo".
Los científicos dicen que su descubrimiento podría ayudar a obtener más información sobre partículas fundamentales, como la forma en que los quarks y los gluones permanecen confinados dentro de los protones. La investigación también ha provocado más preguntas sobre cómo los cambios de enredos cuando los protones están bloqueados dentro de los núcleos atómicos.
"Debido a que los núcleos están hechos de protones y neutrones, es natural preguntar qué le haría el enredo a la estructura de los núcleos", dijo Tu. "Planeamos usar el colider de iones de electrones (EIC) para estudiar esto. Esto vendrá en 10 años. Antes de eso, algunos tipos de colisión, las llamadas colisiones ultra periféricas en colisiones de iones pesados, también pueden funcionar".