Entrelazamiento cuántico a distancias increíblemente cortas en protones

Un equipo liderado por el Brookhaven National Laboratory ha desarrollado una nueva forma de utilizar los datos de colisiones de partículas de alta energía para observar el interior de los protones.

Su método utiliza la ciencia de la información cuántica para trazar un mapa de cómo las trayectorias de partículas que se desprenden de las colisiones electrón-protón se ven influenciadas por el entrelazamiento cuántico dentro del protón.

Los resultados revelan que los quarks y los gluones, los bloques fundamentales que forman la estructura de un protón, están sujetos al llamado entrelazamiento cuántico. Este peculiar fenómeno, descrito por Albert Einstein como "acción fantasmal a distancia", sostiene que las partículas pueden conocer el estado de las demás (por ejemplo, su dirección de giro) incluso cuando están separadas por una gran distancia. En este caso, el entrelazamiento se produce en distancias increíblemente cortas (menos de una cuatrillónésima de metro dentro de protones individuales) y el intercambio de información se extiende a todo el grupo de quarks y gluones en ese protón.

El último artículo del equipo, publicado recientemente en la revista Reports on Progress in Physics (ROPP), resume el trabajo de investigación de seis años del grupo. Describe con precisión cómo el entrelazamiento afecta la distribución de partículas estables que emergen en varios ángulos de las colisiones de partículas después de que los quarks y los gluones liberados en las colisiones se fusionen para formar estas nuevas partículas compuestas.

Esta nueva visión del entrelazamiento entre quarks y gluones añade una capa de complejidad a una imagen en evolución de la estructura interna de los protones. También puede ofrecer información sobre otras áreas de la ciencia en las que el entrelazamiento desempeña un papel, según los autores.

"Antes de que hiciéramos este trabajo, nadie había analizado el entrelazamiento dentro de un protón en datos experimentales de colisiones de alta energía", dijo en un comunicado el físico Zhoudunming (Kong) Tu, coautor del artículo y colaborador en esta exploración desde que se unió al Laboratorio Brookhaven en 2018. "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 partícula única, incluida la distribución de quarks y gluones dentro del protón.

"Ahora, con evidencia de que los quarks y los gluones están entrelazados, esta imagen ha cambiado. Tenemos un sistema mucho más complicado y dinámico", dijo. "Este último artículo refina nuestra comprensión de cómo el entrelazamiento afecta la estructura del protón".

Trazar un mapa del entrelazamiento entre quarks y gluones dentro de los protones podría ofrecer información sobre otras cuestiones complejas de la física nuclear, incluida la forma en que ser parte de un núcleo más grande afecta las propiedades de los protones. Este será uno de los objetivos de futuros experimentos en el Colisionador de Electrones e Iones (EIC), una instalación de investigación de física nuclear que se espera que abra en el Laboratorio Brookhaven en la década de 2030. Las herramientas que estos científicos están desarrollando permitirán realizar predicciones para los experimentos del EIC.

Para este estudio, los científicos utilizaron el lenguaje y las ecuaciones de la ciencia de la información cuántica para predecir cómo el entrelazamiento debería afectar a las partículas que fluyen de las colisiones electrón-protón. Estas colisiones son un enfoque común para investigar la estructura de los protones, más recientemente en el colisionador de partículas Hadron-Electron Ring Accelerator (HERA) en Hamburgo, Alemania, de 1992 a 2007, y están planificadas para futuros experimentos del EIC.

Este enfoque, publicado en 2017, fue desarrollado por Dmitri Kharzeev, un teórico afiliado tanto al Laboratorio Brookhaven como a la Universidad Stony Brook, que es coautor del artículo, y Eugene Levin de la Universidad de Tel Aviv. Las ecuaciones predicen que si los quarks y los gluones están entrelazados, eso se puede revelar a partir de la entropía o desorden de la colisión.

Según los cálculos, los protones con quarks y gluones entrelazados al máximo (un alto grado de "entropía de entrelazamiento") deberían producir muchas partículas con una distribución "desordenada" (un alto grado de entropía).

"Para un estado de entrelazamiento máximo de quarks y gluones, existe una relación simple que nos permite predecir la entropía de las partículas producidas en una colisión de alta energía", dijo Kharzeev. "En nuestro artículo, probamos esta relación usando datos experimentales".