Los científicos han observado el interior de los protones y han descubierto que los quarks y gluones, sus componentes fundamentales, experimentan entrelazamiento cuántico.
Las partículas entrelazadas están conectadas entre sí, de modo que un cambio en una provoca instantáneamente un cambio en la otra, incluso si están separadas por grandes distancias. Albert Einstein rechazó la idea como «acción espeluznante a distancia», pero experimentos posteriores demostraron que el extraño efecto de ruptura de localidad es real.
Los físicos tienen entrelazamiento observado entre quarks antes pero nunca había encontrado evidencia de que existieran en un estado conectado cuánticamente dentro de los protones.
Ahora, un equipo de investigadores ha descubierto un entrelazamiento entre quarks y gluones dentro de protones a una distancia de una billonésima parte de un metro, lo que permite que las partículas compartan información a través del protón. Los investigadores publicaron sus hallazgos el 2 de diciembre de 2024 en la revista. Informes sobre los avances en física.
«Durante décadas, hemos tenido una visión tradicional del protón como un conjunto 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 dentro del protón». coautor del estudio Zhoudunming Tufísico del Laboratorio Nacional Brookhaven en Upton, Nueva York, dijo en un comunicado. «Ahora, con la evidencia de que los quarks y los gluones están entrelazados, este panorama ha cambiado. Tenemos un sistema dinámico mucho más complicado».
‘Acción espeluznante’ a la más mínima escala
Prueba experimental del entrelazamiento cuántico surgió por primera vez en la década de 1970pero muchos aspectos del fenómeno siguen relativamente inexplorados, incluidas las interacciones entrelazadas entre quarks. Esto se debe principalmente a que las partículas subatómicas no existen por sí solas sino que se fusionan en varias combinaciones de partículas conocidas como hadrones. Por ejemplo, los bariones, como los protones y los neutrones, son combinaciones de tres quarks unidos estrechamente por fuerza fuerte-porta gluones.
Cuando los quarks individuales se extraen de los hadrones, la energía utilizada para extraerlos los vuelve inestables, transformándolos en chorros ramificados de partículas en un proceso llamado hadronización. Esto hace que la tarea de examinar los billones de productos de desintegración de partículas para reconstruir su estado original sea increíblemente difícil.
Pero eso es exactamente lo que hicieron los investigadores. Para investigar el funcionamiento interno de los protones, los científicos extrajeron datos recopilados por el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) y experimentos con colisionadores de partículas del Acelerador de anillos de electrones y hadrones (HERA).
Luego aplicaron un principio de la ciencia de la información cuántica que dice que la entropía de un sistema (una medida de en cuántos estados de energía se puede organizar un sistema, a menudo se denomina incorrectamente «trastorno») aumenta con su enredo, lo que hace que la distribución de las partículas en aerosol parezca más desordenada.
Al comparar las pulverizaciones de partículas con los cálculos de su entropía, los físicos descubrieron que los quarks y gluones dentro de los protones en colisión existían en un estado máximamente entrelazado, y cada uno compartía la mayor cantidad de información posible.
«La entropía generalmente se asocia con la incertidumbre sobre cierta información, mientras que el entrelazamiento conduce al ‘compartimiento’ de información entre las dos partes entrelazadas. Por lo tanto, estos dos pueden estar relacionados entre sí en mecánica cuántica«, dijo Tu a WordsSideKick.com en un correo electrónico. «Usamos la entropía predicha (con el supuesto entrelazamiento) para verificar lo que dicen los datos, y encontramos un gran acuerdo».
Los científicos dicen que su descubrimiento podría ayudar a obtener más información sobre las partículas fundamentales, como por ejemplo cómo los quarks y gluones permanecen confinados dentro de los protones. La investigación también ha suscitado más preguntas sobre cómo cambia el entrelazamiento cuando los protones están encerrados dentro de los núcleos atómicos.
«Debido a que los núcleos están hechos de protones y neutrones, es natural preguntarse qué efecto tendría el entrelazamiento en la estructura de los núcleos», dijo Tu. «Planeamos utilizar el colisionador de iones de electrones (EIC) para estudiar esto. Esto ocurrirá dentro de 10 años. Antes de eso, algunos tipos de colisiones, las llamadas colisiones ultraperiféricas en las colisiones de iones pesados, también pueden funcionar».
