Emaranhado quântico 'assustador' descoberto dentro de prótons individuais pela primeira vez
Os cientistas examinaram o interior dos prótons e descobriram que os quarks e os glúons, seus blocos de construção fundamentais, experimentam emaranhamento quântico.
Partículas emaranhadas estão conectadas umas às outras, de modo que uma mudança em uma causa instantaneamente uma mudança na outra, mesmo que estejam separadas por grandes distâncias. Albert Einstein notoriamente rejeitou a ideia como “ação assustadora à distância”, mas experimentos posteriores provaram que o efeito bizarro de quebra de localidade é real.
Os físicos têm emaranhado observado entre quarks antes mas nunca encontrei evidências de que eles existissem num estado quântico conectado dentro dos prótons.
Agora, uma equipe de pesquisadores descobriu o emaranhado entre quarks e glúons dentro dos prótons a uma distância de um quatrilionésimo de metro – permitindo que as partículas compartilhem informações através do próton. Os pesquisadores publicaram suas descobertas em 2 de dezembro de 2024 na revista Relatórios sobre progresso em física.
“Durante décadas, tivemos uma visão tradicional do próton como uma coleção de quarks e glúons, e nos concentramos na compreensão das chamadas propriedades de partícula única, incluindo como os quarks e os glúons são distribuídos dentro do próton,” coautor do estudo Zhoudunming Tufísico do Laboratório Nacional de Brookhaven em Upton, Nova York, disse em um comunicado. “Agora, com a evidência de que os quarks e os glúons estão emaranhados, este quadro mudou. Temos um sistema muito mais complicado e dinâmico.”
‘Ação assustadora’ em menor escala
Prova experimental de emaranhamento quântico surgiu pela primeira vez na década de 1970mas muitos aspectos do fenômeno permanecem relativamente inexplorados – incluindo as interações emaranhadas entre quarks. Isto ocorre principalmente porque as partículas subatômicas não existem por si só e, em vez disso, se fundem em várias combinações de partículas conhecidas como hádrons. Por exemplo, bárions, como prótons e nêutrons, são combinações de três quarks fortemente unidos por força forte-transportando glúons.
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Quando quarks individuais são arrancados dos hádrons, a energia usada para extraí-los os torna instáveis, transformando-os em jatos ramificados de partículas em um processo chamado hadronização. Isso torna incrivelmente difícil a tarefa de examinar os trilhões de produtos de decomposição de partículas para reconstruir seu estado original.
Mas foi exatamente isso que os pesquisadores fizeram. Para investigar o funcionamento interno dos prótons, os cientistas exploraram dados coletados pelo Grande Colisor de Hádrons (LHC) e experimentos com acelerador de partículas de hádron-elétrons (HERA).
Em seguida, eles aplicaram um princípio da ciência da informação quântica que diz que a entropia de um sistema (uma medida de quantos estados de energia um sistema pode ser organizado, muitas vezes chamado incorretamente de “desordem”) aumenta com o seu emaranhamento – fazendo com que a distribuição dos sprays de partículas pareça mais confusa.
Ao comparar a pulverização de partículas com os cálculos da sua entropia, os físicos descobriram que os quarks e os gluões no interior dos protões em colisão existiam num estado emaranhado ao máximo, cada um partilhando o máximo de informação possível.
“A entropia é geralmente associada à incerteza em algumas informações, enquanto o emaranhado leva ao 'compartilhamento' de informações entre as duas partes emaranhadas. Portanto, esses dois podem estar relacionados entre si em mecânica quântica”, disse Tu à WordsSideKick.com por e-mail. “Usamos a entropia prevista (com o emaranhamento assumido) para verificar o que os dados dizem, e encontramos uma grande concordância.”
Os cientistas dizem que a sua descoberta pode ajudar a obter mais informações sobre as partículas fundamentais – por exemplo, a forma como os quarks e os gluões permanecem confinados nos protões. A pesquisa também levantou novas questões sobre como o emaranhamento muda quando os prótons ficam presos dentro dos núcleos atômicos.
“Como os núcleos são feitos de prótons e nêutrons, é natural perguntar o que o emaranhamento faria com a estrutura dos núcleos”, disse Tu. “Planejamos usar o acelerador de íons de elétrons (EIC) para estudar isso. Isso acontecerá em 10 anos. Antes disso, alguns tipos de colisão, as chamadas colisões ultraperiféricas em colisões de íons pesados, também podem funcionar.”
