Los científicos encuentran un entrelazamiento cuántico “espeluznante” en escalas increíblemente pequeñas, en el interior de protones individuales

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Los científicos han utilizado colisiones de partículas de ingreso energía para observar el interior de los protones, las partículas que se encuentran en el interior de los núcleos de todos los átomos. Esto ha revelado por primera vez que los quarks y gluones, los componentes básicos de los protones, experimentan el engendro del entrelazamiento cuántico.

El entrelazamiento es el aspecto de la física cuántica que dice que dos partículas afectadas pueden influir instantáneamente en el “estado” de la otra sin importar cuán separadas estén, incluso si están en lados opuestos del universo. Albert Einstein fundó sus teorías de la relatividad en la concepto de que carencia puede delirar más rápido que la velocidad de la luz, sin bloqueo, poco que debería excluir la naturaleza instantánea del entrelazamiento.

Como resultado, Einstein estaba tan preocupado por el enredo que lo describió como “spukhafte Fernwirkung” o “bono espeluznante a distancia”. Sin bloqueo, a pesar del incredulidad de Einstein sobre el entrelazamiento, este engendro “espeluznante” se ha verificado una y otra vez. Muchas de esas verificaciones se han centrado en probar distancias cada vez mayores en las que se puede demostrar el entrelazamiento. Esta nueva prueba adoptó el enfoque opuesto: investigó el entrelazamiento a una distancia de sólo una billonésima parte de un patrón y descubrió que en ingenuidad ocurre en el interior de protones individuales.

El equipo descubrió que el intercambio de información que define el entrelazamiento se produce entre grupos enteros de partículas fundamentales llamadas quarks y gluones en el interior de un protón.

“Ayer de hacer este trabajo, nadie había analizado el entrelazamiento en el interior de un protón en datos experimentales de colisiones de ingreso energía”, dijo en un comunicado Zhoudunming Tu, miembro del equipo y físico del Laboratorio Brookhaven. “Durante décadas, hemos tenido una visión tradicional del protón como una colección de quarks y gluones, y nos hemos centrado en comprender las llamadas propiedades de una sola partícula, incluida cómo se distribuyen los quarks y gluones en el interior del protón.

“Ahora, con la evidencia de que los quarks y los gluones están entrelazados, este panorama ha cambiado. Tenemos un sistema dinámico mucho más complicado”.

La investigación del equipo, la culminación de seis primaveras de trabajo, perfecciona la comprensión de los científicos sobre cómo el entrelazamiento influye en la estructura de los protones.

El enredo se vuelve complicado

Para estudiar la estructura interna de los protones, los científicos observaron las colisiones de partículas de ingreso energía que se produjeron en instalaciones como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC). Cuando las partículas chocan a velocidades extremadamente altas, otras partículas se alejan de la colisión como los restos arrojados de un choque entre dos vehículos.

Este equipo utilizó una técnica desarrollada en 2017 que aplica la ciencia de la información cuántica a las colisiones electrón-protón para determinar cómo el entrelazamiento influye en las trayectorias de las partículas que se alejan. Si los quarks y gluones están entrelazados con protones, esta técnica dice que debería ser revelado por el desorden o “entropía” que se observa en las partículas hijas.

“Piense en el dormitorio complicado de un criatura, con ropa sucia y otras cosas por todos lados”, dijo Tu. “En esa habitación desorganizada, la entropía es muy ingreso”.

El contraste con esto es una situación de desestimación entropía que es similar a un dormitorio cuidadosamente arreglado y arreglado en el que todo está organizado en su oficio adecuado. Una habitación desordenada indica enredo, por así decirlo.

“Para un estado de entrelazamiento mayor de quarks y gluones, existe una relación simple que nos permite predecir la entropía de las partículas producidas en una colisión de ingreso energía”, dijo en el comunicado el teórico del Laboratorio Brookhaven, Dmitri Kharzeev. “Probamos esta relación utilizando datos experimentales”.

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Para investigar qué tan “desordenadas” se vuelven las partículas luego de una colisión, el equipo recurrió primero a los datos generados por las colisiones protón-protón realizadas en el LHC. Luego, en rastreo de datos “más limpios”, los investigadores observaron las colisiones electrón-protón llevadas a punta en el colisionador de partículas del Acelerador de anillo de electrones y hadrones (HERA) entre 1992 y 2007.

Estos datos fueron entregados por el equipo H1 y su portavoz, así como por el investigador de Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), Stefan Schmitt, luego de una búsqueda de tres primaveras a través de los resultados de HERA.

Al comparar los datos de HERA con los cálculos de entropía, los resultados del equipo coincidieron perfectamente con sus predicciones, proporcionando pruebas sólidas de que los quarks y gluones en el interior de los protones están entrelazados al mayor.

“El entrelazamiento no sólo ocurre entre dos partículas sino entre todas las partículas”, dijo Kharzeev. “El entrelazamiento mayor en el interior del protón surge como consecuencia de fuertes interacciones que producen una gran cantidad de pares quark-antiquark y gluones”.

La revelación del entrelazamiento mayor de quarks y gluones en el interior de los protones podría ayudar a revelar qué mantiene unidas estas partículas fundamentales con los componentes básicos de los núcleos atómicos.

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Descubrir detalles del entrelazamiento entre quarks y gluones podría ayudar a los científicos a investigar problemas más profundos en física nuclear, como por ejemplo cómo el ser parte de núcleos atómicos más grandes afecta la estructura de los protones. Por ejemplo, ¿colocar un protón en un entorno nuclear muy activo rodeado de muchos protones y neutrones en interacción destruye el entrelazamiento, un proceso llamado “decoherencia cuántica”, con los protones individuales?

“Para contestar a esta pregunta, necesitamos hacer colisionar electrones no sólo con protones individuales sino con núcleos”, dijo Tu. “Será muy útil utilizar las mismas herramientas para ver el entrelazamiento de un protón incrustado en un núcleo, para asimilar cómo hacerlo”. se ve afectado por el entorno nuclear”.

Esta será una de las investigaciones esencia emprendidas por el próximo colisionador de iones de electrones (EIC) de Brookhaven Lab. Como tal, estos resultados podrían ser una parte importante de la hoja de ruta del EIC, que comenzará a funcionar en 2030.

“Observar el entrelazamiento en el entorno nuclear definitivamente nos dirá más sobre este comportamiento cuántico (cómo se mantiene coherente o se vuelve decoherente) y aprenderá más sobre cómo se conecta con los fenómenos tradicionales de física nuclear y de partículas que estamos tratando de resolver”, dijo Tu. concluyó.

La investigación del equipo fue publicada en la revista Reports on Progress in Physics.