El entrelazamiento cuántico es una característica fascinante de la física cuántica, la teoría del infinito a pequeña escala. Cuando dos partículas están en un estado de entrelazamiento cuántico, el estado de una determina el de la otra, independientemente de la distancia que las separe. Este fenómeno sorprendente, que no tiene equivalente en la física clásica, ha sido observado en una amplia variedad de sistemas y ha encontrado varias aplicaciones importantes, como la criptografía cuántica y la computación cuántica.
Vista artística de un par de quarks top entrelazados.
Imagen: CERN
En 2022, el Premio Nobel de Física fue otorgado a Alain Aspect, John F. Clauser y Anton Zeilinger, por sus experimentos pioneros con fotones entrelazados. Estos experimentos confirmaron las predicciones sobre la manifestación del entrelazamiento hechas por John Bell, teórico del CERN hoy fallecido, y allanaron el camino para la ciencia de la información cuántica.
El entrelazamiento seguía siendo muy poco estudiado en las altas energías alcanzadas en los colisionadores de partículas como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC). En un artículo publicado en la revista Nature, la colaboración ATLAS describe cómo logró observar por primera vez el entrelazamiento cuántico entre partículas fundamentales llamadas quarks top y a energías nunca antes vistas.
Primero reportado por ATLAS en septiembre de 2023 y luego confirmado por un primer, así como un segundo estudio de observación de la colaboración CMS, este resultado ha abierto una nueva perspectiva sobre el complejo mundo de la física cuántica.
"Aunque la física de partículas está profundamente arraigada en la física cuántica, la observación del entrelazamiento cuántico en un nuevo sistema de partículas y a una energía mucho mayor que la que había sido posible anteriormente es notable, explica Andreas Hoecker, portavoz de ATLAS. Abre el camino a nuevas investigaciones sobre este fascinante fenómeno, y a multitud de estudios a medida que nuestros conjuntos de datos continúan creciendo."
Los equipos de ATLAS y CMS observaron el entrelazamiento cuántico entre un quark top y su antipartícula. Estas observaciones se basan en un método recientemente propuesto que utiliza pares de quarks top producidos en el LHC como un nuevo sistema para estudiar el entrelazamiento cuántico.
El quark top es la partícula fundamental más pesada conocida. Normalmente se desintegra en otras partículas antes de tener tiempo de combinarse con otros quarks, transfiriendo su espín y otras características cuánticas a las partículas resultantes de su desintegración. Es observando los productos de estas desintegraciones que los físicos pueden deducir la orientación del espín del quark top.
Para observar el entrelazamiento entre los quarks top, las colaboraciones ATLAS y CMS seleccionaron pares de quarks top a partir de los datos de colisiones protón-protón que tuvieron lugar a una energía de 13 teraelectrónvoltios durante el segundo período de operación del LHC, entre 2015 y 2018. En particular, buscaron pares en los que ambos quarks se produzcan simultáneamente con una baja cantidad de momento uno con respecto al otro. En este caso, los espines de ambos quarks deberían estar fuertemente entrelazados.
La existencia del fenómeno de entrelazamiento y el grado de entrelazamiento de los espines pueden deducirse del ángulo entre las direcciones en las que se emiten los productos cargados eléctricamente resultantes de la desintegración de ambos quarks. Midiendo estas separaciones angulares y corrigiendo los efectos experimentales que podrían alterar los valores medidos, los equipos de ATLAS y CMS observaron cada uno un entrelazamiento de espín entre los quarks top, con una significación estadística superior a cinco desviaciones estándar.
En su segundo estudio, la colaboración CMS también buscó pares de quarks top en los que ambos quarks se produjeran simultáneamente con un alto momento uno con respecto al otro. En esta configuración, para una gran fracción de los pares de quarks top, las posiciones y los tiempos relativos de las dos desintegraciones de quarks top deberían, según la teoría, excluir el intercambio clásico de información mediante partículas que viajen a una velocidad máxima igual a la de la luz; CMS observó el entrelazamiento de espín entre los quarks top también en este caso.
"Con mediciones del entrelazamiento y otros conceptos cuánticos en un nuevo sistema de partículas y en un rango de energía que supera lo que era accesible hasta ahora, podemos poner a prueba de diferentes maneras el modelo estándar de la física de partículas y buscar señales de una posible nueva física más allá de este modelo", explica Patricia McBride, portavoz de CMS.
Para saber más:
- Artículo de ATLAS Nature
- Primer estudio de CMS
- Segundo estudio de CMS