Esses resultados abrem uma nova perspectiva sobre o mundo complexo da física quântica.
O entrelaçamento quântico é uma característica fascinante da física quântica - a teoria do infinitamente pequeno. Quando duas partículas estão em um estado de entrelaçamento quântico, o estado de uma determina o estado da outra, independentemente da distância que as separa. Esse fenômeno desconcertante, que não tem equivalente na física clássica, foi observado em uma grande variedade de sistemas e encontrou várias aplicações importantes, como a criptografia quântica e a computação quântica.
Representação artística de um par de quarks top entrelaçados.
Imagem: CERN
Em 2022, o
Prêmio Nobel de Física foi concedido a Alain Aspect, John F. Clauser e Anton Zeilinger, por suas experiências pioneiras com fótons entrelaçados. Essas experiências confirmaram as previsões sobre a manifestação do entrelaçamento feitas por
John Bell, teórico do CERN já falecido, e abriram caminho para a ciência da informação quântica.
O entrelaçamento permanecia pouco estudado nas altas energias atingidas em aceleradores de partículas como o
Grande Colisor de Hádrons (LHC). Em um artigo publicado na revista
Nature, a
colaboração ATLAS descreve como conseguiu observar o entrelaçamento quântico pela primeira vez entre partículas fundamentais chamadas quarks top e em energias inéditas.
Primeiramente reportado pela ATLAS em
setembro de 2023, e depois confirmado por um
primeiro e um
segundo estudo observacional da colaboração
CMS, esse resultado abriu uma nova perspectiva sobre o mundo complexo da física quântica.
"Embora a física de partículas esteja profundamente enraizada na física quântica, a observação do entrelaçamento quântico em um novo sistema de partículas e em uma energia muito maior do que era anteriormente possível é notável," explica Andreas Hoecker, porta-voz da ATLAS.
"Ela abre o caminho para novas pesquisas sobre esse fenômeno fascinante, e para uma multiplicidade de estudos à medida que nossos conjuntos de dados continuam a crescer."
As equipes da ATLAS e CMS observaram o entrelaçamento quântico entre um quark top e sua
antipartícula. Essas observações baseiam-se em um
método recentemente proposto que consiste em usar pares de quarks top produzidos no LHC como um novo sistema para estudar o entrelaçamento quântico.
O quark top é a partícula fundamental mais pesada conhecida. Ele normalmente se desintegra em outras partículas antes de ter a oportunidade de se combinar com outros quarks, transferindo seu spin e outras características quânticas para as partículas resultantes de sua desintegração. É observando os produtos dessas desintegrações que os físicos podem deduzir a orientação do spin do quark top.
Para observar o entrelaçamento entre quarks top, as colaborações ATLAS e CMS selecionaram pares de quarks top nos dados das colisões próton-próton que ocorreram a uma energia de 13 teraelétron-volts durante o segundo período de operação do LHC, entre 2015 e 2018. Eles procuraram particularmente por pares nos quais os dois quarks são produzidos simultaneamente, com um pequeno momento relativo entre si. Neste caso, espera-se que os spins dos dois quarks estejam fortemente entrelaçados.
A existência do fenômeno de entrelaçamento e o grau de entrelaçamento dos spins podem ser deduzidos a partir do ângulo entre as direções nas quais são emitidos os produtos eletricamente carregados provenientes da desintegração dos dois quarks. Medindo essas separações angulares e corrigindo os efeitos experimentais que poderiam alterar os valores medidos, as equipes da ATLAS e CMS observaram independentemente o entrelaçamento de spin entre os quarks top, com uma significância estatística superior a
cinco desvios padrão.
Em seu
segundo estudo, a colaboração CMS também procurou por pares de quarks top nos quais os dois quarks são produzidos simultaneamente, com um momento elevado relativo entre si. Nessa configuração, para uma grande fração dos pares de quarks top, as posições e os tempos relativos das duas desintegrações de quarks top deveriam, de acordo com a teoria, excluir a troca clássica de informações por partículas que se movem a uma velocidade que atinge no máximo a velocidade da luz; a CMS também observou o entrelaçamento de spin entre os quarks top nesse caso.
"
Com medições do entrelaçamento e de outros conceitos quânticos em um novo sistema de partículas e em uma faixa de energia que supera o que era acessível até agora, podemos testar de diferentes maneiras o Modelo Padrão da física de partículas e procurar sinais de uma nova física além desse modelo", explica Patricia McBride, porta-voz da CMS.
Para saber mais:
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Artigo ATLAS Nature
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Primeiro estudo da CMS
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Segundo estudo da CMS
Fonte: CERN