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Un grupo de investigadores del Laboratorio Nacional Brookhaven, parte del Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE), ha realizado un avance significativo en el campo de la mecánica cuántica.
En un estudio reciente publicado en la revista Reports on Progress in Physics (ROPP), los científicos revelaron cómo lograron mapear el entrelazamiento cuántico entre quarks y gluones dentro de los protones, marcando un nuevo capítulo en nuestra comprensión de la física nuclear.
¿Qué es el entrelazamiento cuántico?
El entrelazamiento cuántico es uno de los fenómenos más fascinantes y misteriosos de la mecánica cuántica. Este proceso ocurre cuando dos partículas están correlacionadas de tal forma que el estado de una determina instantáneamente el estado de la otra, sin importar la distancia que las separa.
Por ejemplo, si se mide el espín de una partícula como “arriba”, el espín de la otra será automáticamente “abajo”, incluso si están separadas por kilómetros. Esto desafía los principios de la física clásica y ha sido objeto de intensas investigaciones desde que fue observado por primera vez en la década de 1970.
En este estudio, el entrelazamiento cuántico se analizó en una escala extremadamente pequeña: menos de un cuatrillonésimo de metro, dentro del núcleo de los protones. Los quarks y gluones, las partículas fundamentales que componen los protones, demostraron estar involucrados en este complejo fenómeno.
El camino hacia el descubrimiento:
El equipo del Laboratorio Nacional Brookhaven empleó una técnica innovadora para analizar datos de colisiones de alta energía. Durante seis años de investigación, los científicos desarrollaron una nueva forma de interpretar los rastros de partículas resultantes de estas colisiones, lo que les permitió identificar patrones de entrelazamiento cuántico.
Este mapeo detallado reveló cómo el entrelazamiento influye en la distribución de las partículas producidas en ángulos específicos durante estos eventos.
Zhoudunming Tu, coautor del estudio y físico del Laboratorio Brookhaven, explicó: “Durante décadas, considerábamos al protón como una colección de quarks y gluones, y nos centrábamos en entender sus propiedades individuales. Ahora, con evidencia de entrelazamiento entre quarks y gluones, este panorama ha cambiado. Tenemos un sistema mucho más complejo y dinámico”.
Un enfoque revolucionario:
El descubrimiento también implicó el uso de conceptos de la ciencia de la información cuántica, como la entropía, para interpretar los datos experimentales. La entropía mide el grado de desorden en un sistema, y los científicos predijeron que, si los quarks y gluones estaban entrelazados, las partículas generadas en las colisiones mostrarían patrones previsibles de alta entropía.
Dmitri Kharzeev, teórico asociado al Laboratorio Brookhaven y a la Universidad Stony Brook, destacó: “Para un estado de quarks y gluones completamente entrelazado, existe una relación sencilla que nos permite predecir la entropía de las partículas producidas en una colisión de alta energía. En nuestro estudio, pusimos a prueba esta relación utilizando datos experimentales”.
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El estudio confirmó que la entropía de las partículas liberadas ya estaba determinada por el entrelazamiento cuántico antes de la colisión, lo que sugiere que este fenómeno juega un papel fundamental en las interacciones subatómicas.
El impacto del descubrimiento:
El hallazgo tiene implicaciones significativas, no solo para la física nuclear, sino también para la computación cuántica. Comprender cómo el entrelazamiento afecta a los quarks y gluones podría abrir nuevas vías para explorar sistemas cuánticos complejos y desarrollar tecnologías avanzadas.
Además, este trabajo allana el camino para futuras investigaciones en el Electron-Ion Collider (EIC), una instalación de vanguardia que se está construyendo en el Laboratorio Brookhaven. Programado para completarse en 2030, el EIC permitirá a los científicos profundizar en los misterios del entrelazamiento cuántico y otras propiedades de los protones.
Uno de los mayores enigmas de la física de partículas es por qué los quarks y gluones permanecen confinados dentro de los protones. El EIC será instrumental para abordar esta cuestión y muchas otras, ampliando nuestra comprensión de los bloques fundamentales del universo.
Un vistazo al futuro:
El mapeo del entrelazamiento cuántico en quarks y gluones representa un avance crucial en la investigación subatómica.
Este descubrimiento no solo redefine nuestra comprensión de los protones, sino que también abre nuevas puertas en el campo de la mecánica cuántica y la informática cuántica. A medida que el Electron-Ion Collider entre en funcionamiento, es probable que los científicos descubran aún más detalles sobre estos fascinantes fenómenos.
El estudio del entrelazamiento cuántico sigue siendo un área de investigación emocionante y en constante evolución. Este hito subraya la importancia de seguir explorando los misterios del universo a nivel subatómico, con la promesa de revelaciones aún más sorprendentes en los próximos años.
