Descubren entrelazamiento cuántico en los quarks top, las partículas más pesadas conocidas
Una de las predicciones más sorprendentes de la física es enredoun fenómeno en el que los objetos pueden estar separados a cierta distancia pero aun así estar unidos. Los ejemplos más conocidos de entrelazamiento involucran pequeños fragmentos de luz (fotones) y energías bajas.
En el Gran Colisionador de Hadrones de Ginebra, el mayor acelerador de partículas del mundo, un experimento llamado ATLAS acaba de descubrir un entrelazamiento en pares de quarks top: las partículas más pesadas conocidas por la ciencia.
Los resultados se describen en Un nuevo documento de mis colegas y de mí en la colaboración ATLAS, publicado hoy en Naturaleza.
¿Qué es el entrelazamiento?
En la vida cotidiana, pensamos en los objetos como si estuvieran “separados” o “conectados”. Dos pelotas que se encuentran a un kilómetro de distancia están separadas. Dos pelotas unidas por un trozo de cuerda están conectadas.
Cuando dos objetos están “entrelazados”, no existe una conexión física entre ellos, pero tampoco están verdaderamente separados. Se puede hacer una medición del primer objeto y eso es suficiente para saber qué está haciendo el segundo, incluso antes de mirarlo.
Los dos objetos forman un único sistema, aunque no haya nada que los conecte. Se ha demostrado que esto funciona con fotones en lados opuestos de una ciudad.
La idea resultará familiar para los fanáticos de la reciente serie de streaming 3 Body Problem, basada en las novelas de ciencia ficción de Liu Cixin.
En la serie, los extraterrestres han enviado una pequeña supercomputadora a la Tierra para alterar nuestra tecnología y poder comunicarse con nosotros. Como este diminuto objeto está enredado con un gemelo en el mundo natal de los extraterrestres, los extraterrestres pueden comunicarse con él y controlarlo, aunque se encuentre a cuatro años luz de distancia.
Esa parte de la historia es ciencia ficción: el entrelazamiento no permite enviar señales a una velocidad superior a la de la luz (parece que el entrelazamiento debería permitir hacer esto, pero según la física cuántica esto no es posible. Hasta ahora, todos nuestros experimentos son consistentes con esa predicción).
Pero el enredo en sí es real. Fue Demostrado por primera vez para fotones en la década de 1980en lo que entonces era Un experimento de vanguardia.
Hoy en día, se puede comprar una caja a un proveedor comercial que escupirá pares de fotones entrelazados. El entrelazamiento es una de las propiedades descritas por la física cuántica y es una de las propiedades que los científicos e ingenieros están tratando de explotar para crear nuevas tecnologías, como computación cuántica.
Desde los años 1980, también se ha observado entrelazamiento con átomos, con algunas partículas subatómicas e incluso con objetos diminutos sometidos a vibraciones muy, muy leves. Todos estos ejemplos se dan a energías bajas.
La novedad procedente de Ginebra es que se ha observado entrelazamiento en pares de partículas llamadas quarks top, donde hay grandes cantidades de energía en un espacio muy pequeño.
Entonces, ¿qué son los quarks?
La materia está formada por moléculas, las moléculas por átomos y un átomo por partículas ligeras llamadas electrones que orbitan alrededor de un núcleo pesado en el centro, como el Sol en el centro del sistema solar. Ya sabíamos esto por experimentos realizados en 1911 aproximadamente.
Luego aprendimos que el núcleo está formado por protones y neutrones, y en la década de 1970 descubrimos que los protones y los neutrones están formados por partículas aún más pequeñas llamadas quarks.
Hay seis tipos de quarks en total: los quarks “arriba” y “abajo”, que forman los protones y los neutrones, y luego cuatro más pesados.
El quinto quark, el quark “belleza” o “fondo”, es aproximadamente cuatro veces y media más pesado que un protón, y cuando lo encontramos pensamos que era muy pesado. Pero el sexto y último quark, el “top”, es un monstruo: ligeramente más pesado que un átomo de tungsteno y 184 veces la masa de un protón.
Nadie sabe por qué el quark top es tan masivoEl quark top es objeto de intenso estudio en el Gran Colisionador de Hadrones, precisamente por esta razón. (En Sydney, donde resido, la mayor parte de nuestro trabajo en el experimento ATLAS se centra en el quark top.)
Creemos que la enorme masa puede ser una pista. Tal vez el quark top sea tan masivo porque siente nuevas fuerzas, más allá de las cuatro que ya conocemos. O tal vez tenga alguna otra conexión con la “nueva física”.
Sabemos que las leyes de la física, tal como las entendemos actualmente, son incompletas. Estudiar el comportamiento del quark top puede mostrarnos el camino hacia algo nuevo.
Entonces, ¿el entrelazamiento significa que los quarks top son especiales?
Probablemente no. La física cuántica dice que el entrelazamiento es algo común y que todo tipo de cosas pueden estar entrelazadas.
Pero el enredo también es frágil.
Muchos experimentos de física cuántica se realizan a temperaturas ultrafrías para evitar “golpear” el sistema y perturbarlo. Por eso, hasta ahora, el entrelazamiento se ha demostrado en sistemas en los que los científicos pueden establecer las condiciones adecuadas para realizar las mediciones.
Por razones técnicas, la enorme masa del quark top lo convierte en un buen laboratorio para estudiar el entrelazamiento (la nueva medición ATLAS no habría sido posible para los otros cinco tipos de quark).
Pero los pares de quarks top no serán la base de una nueva tecnología conveniente: no se puede levantar el Gran Colisionador de Hadrones y llevarlo consigo.
Sin embargo, los quarks top proporcionan un nuevo tipo de herramienta con la que realizar experimentos, y el entrelazamiento es interesante en sí mismo, por lo que seguiremos buscando para ver qué más encontramos.
Bruce YabsleyProfesor Asociado de Física, Universidad de Sydney
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