Observado el entrelazamiento cuántico en el CERN a la mayor energía lograda hasta ahora

El entrelazamiento cuántico es una característica fascinante de la física cuántica, la teoría de lo muy pequeño. Si dos partículas están entrelazadas cuánticamente, el estado de una de ellas está ligado al de la otra, independientemente de la distancia que las separe.

Este asombroso fenómeno, que no tiene análogos en la física clásica, se ha observado en una amplia variedad de sistemas y ha encontrado aplicaciones importantes, como la criptografía cuántica y la computación cuántica.

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 el físico teórico John Bell, y dieron origen a la ciencia de la información cuántica.

El experimento ATLAS observó el entrelazamiento cuántico en el LHC entre quarks top a la mayor energía alcanzada hasta ahora, 13 TeV, y lo confirmó después la colaboración CMS

Hasta ahora, el entrelazamiento ha permanecido en gran medida inexplorado a altas energías, accesibles únicamente en grandes colisionadores de partículas como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN), en la frontera franco-suiza cerca de Ginebra.

Confirmado por dos experimentos del LHC

En un artículo publicado esta semana en Nature, la colaboración ATLAS informa cómo logró observar el entrelazamiento cuántico en el LHC por primera vez entre partículas elementales llamadas quarks top y a la mayor energía alcanzada hasta ahora: 13 teraelectronvoltios (TeV).

Observado por primera vez por ATLAS en septiembre de 2023 y posteriormente confirmado por primera y segunda observaciones independientes realizadas por la colaboración CMS, este resultado ha abierto una nueva perspectiva en el complejo mundo de la física cuántica.

“Si bien la física de partículas está profundamente arraigada en la mecánica cuántica, la observación del entrelazamiento cuántico en un nuevo sistema de partículas y a una energía mucho mayor de lo que era posible es un hito notable”, destaca Andreas Hoecker, portavoz de ATLAS.

La observación del entrelazamiento cuántico en un nuevo sistema de partículas y a una energía mucho mayor de lo que era posible es un hito notable

Andreas Hoecker (ATLAS/CERN)

“Abre el camino a nuevas investigaciones sobre este fascinante fenómeno, ofreciendo un rico menú de exploración a medida que nuestro volumen de datos continúa creciendo”, añade.

Entrelazamiento entre quark y antiquark top

Los equipos de ATLAS y CMS observaron el entrelazamiento cuántico entre un quark top y un antiquark top, su antipartícula. Las observaciones se basan en un método propuesto recientemente para utilizar pares de quarks top producidos en el LHC como un nuevo sistema para estudiar el entrelazamiento.

El quark top es la partícula elemental más pesada que se conoce. Normalmente, se desintegra en otras partículas antes de que tenga tiempo de combinarse con otros quarks, transfiriendo sus propiedades a las partículas a las que se desintegra. Es precisamente una de esas propiedades, el espín, la que permite estudiar el entrelazamiento entre dos partículas.

Para observar el entrelazamiento entre quarks top, las colaboraciones de ATLAS y CMS seleccionaron pares de quarks top a partir de datos de colisiones protón-protón que tuvieron lugar durante el segundo periodo de toma de datos del LHC, llamado Run2, entre 2015 y 2018.

Los equipos de ATLAS y CMS observaron entrelazamiento del espín entre quarks top con una certidumbre superior a cinco sigma o desviaciones estándar (una forma de tener significancia estadística).

Los equipos de ATLAS y CMS observaron entrelazamiento del espín entre quarks top con gran certidumbre estadística (más de cinco sigma o desviaciones estándar).

En un segundo estudio, la colaboración CMS también buscó pares de quarks top producidos en condiciones donde, para una gran fracción de estas parejas, se predice que las posiciones relativas y los tiempos de sus desintegraciones son tales que se excluye el intercambio clásico de información entre partículas, y CMS observó entrelazamiento de espín entre los quarks top también en este caso.

“Con las medidas del entrelazamiento y otros conceptos cuánticos en un nuevo sistema de partículas y en un rango de energía más allá de lo que era accesible anteriormente, podemos poner a prueba el modelo estándar de la física de partículas de formas novedosas y buscar señales de nueva física que pueda haber más allá», apunta la portavoz de CMS Patricia McBride.

Participación española con el IFIC

En el avance ha participado el Instituto de Física Corpuscular (IFIC), centro mixto del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y la Universidad de Valencia (UV). Este centro de excelencia Severo Ochoa forma parte del experimento ATLAS del LHC desde sus comienzos, un detector del tamaño de una catedral donde colaboraran más de 3.000 físicos e ingenieros de todo el mundo.

En concreto, dos investigadores del CSIC en el IFIC, Carlos Escobar y Marcel Vos, han participado en el proceso de revisión de todos los aspectos del análisis que ahora publica Nature.

“Como es normal con un resultado rompedor, ha sido un proceso de revisión intenso, tanto dentro de la colaboración como con la revista. Después de tres años de trabajo, estamos muy contentos de ver este resultado publicado en esta revista”, comenta Escobar.

Por su parte, Vos, añade: “Esta medida de ATLAS y la confirmación de CMS marcan el inicio de una nueva forma de estudiar los fundamentos de la mecánica cuántica. Hay muchas ideas nuevas explorando el potencial del LHC para aclarar la interpretación de la física cuántica”.

Referencia:

The ATLAS Collaboration. “Observation of quantum entanglement with top quarks at the ATLAS detector”. Nature, 2024