Emaranhamento quântico encontrado nos principais quarks – as partículas mais pesadas conhecidas: WebCuriosos

Uma das previsões mais surpreendentes da física é o emaranhamento, um fenômeno em que os objetos podem estar a alguma distância uns dos outros, mas ainda assim ligados entre si. Os exemplos mais conhecidos de emaranhamento envolvem pequenos pedaços de luz (fótons) e baixas energias.

No Grande Colisor de Hádrons em Genebra, o maior acelerador de partículas do mundo, um experimento chamado ATLAS acaba de encontrar o emaranhamento em pares de quarks superiores: as partículas mais pesadas conhecidas pela ciência.

Os resultados estão descritos em um novo papel de meus colegas e de mim na colaboração ATLAS, publicada hoje em Natureza.

O que é emaranhamento?

Na vida cotidiana, pensamos nos objetos como sendo “separados” ou “conectados”. Duas bolas separadas por um quilômetro estão separadas. Duas bolas unidas por um pedaço de barbante estão conectadas.

Quando dois objetos estão “emaranhados”, não há conexão física entre eles – mas também não estão verdadeiramente separados. Você pode fazer uma medição do primeiro objeto, e isso é suficiente para saber o que o segundo objeto está fazendo, antes mesmo de olhar para ele.

Os dois objetos formam um único sistema, embora não haja nada que os conecte. Foi demonstrado que isso funciona com fótons em lados opostos de uma cidade.

A ideia será familiar aos fãs da recente série de streaming 3 Body Problem, baseada nos romances de ficção científica de Liu Cixin.

No programa, os alienígenas enviaram um minúsculo supercomputador para a Terra, para mexer com a nossa tecnologia e permitir que se comuniquem conosco. Como este pequeno objeto está emaranhado com um gêmeo no mundo natal dos alienígenas, os alienígenas podem se comunicar com ele e controlá-lo – mesmo que esteja a quatro anos-luz de distância.

Essa parte da história é ficção científica: o emaranhamento não permite realmente enviar sinais mais rápido que a luz. (Parece que o emaranhamento deveria permitir que você fizesse isso, mas de acordo com a física quântica isso não é possível. Até agora, todos os nossos experimentos são consistentes com essa previsão.)

Mas o emaranhamento em si é real. Era demonstrado pela primeira vez para fótons na década de 1980no que era então um experimento de ponta.

Hoje você pode comprar uma caixa de um fornecedor comercial que cuspirá pares emaranhados de fótons. O emaranhamento é uma das propriedades descritas pela física quântica e é uma das propriedades que cientistas e engenheiros estão tentando explorar para criar novas tecnologias, como a computação quântica.

Desde a década de 1980, o emaranhamento também tem sido observado com átomos, com algumas partículas subatômicas e até mesmo com pequenos objetos submetidos a vibrações muito, muito leves. Esses exemplos estão todos em baixas energias.

A novidade de Genebra é que o emaranhamento foi observado em pares de partículas chamadas quarks top, onde existem grandes quantidades de energia num espaço muito pequeno.

Então, o que são quarks?

A matéria é feita de moléculas; as moléculas são feitas de átomos; e um átomo é feito de partículas leves chamadas elétrons orbitando um núcleo pesado no centro, como o Sol no centro do sistema solar. Já sabíamos disso através de experimentos por volta de 1911.

Aprendemos então que o núcleo é constituído por protões e neutrões e, na década de 1970, descobrimos que os protões e neutrões são constituídos por partículas ainda mais pequenas chamadas quarks.

Existem seis tipos de quarks no total: os quarks “up” e “down” que constituem prótons e nêutrons, e depois quatro mais pesados.

O quinto quark, o quark “beauty” ou “bottom”, é cerca de quatro vezes e meia mais pesado que um próton, e quando o encontramos pensamos que era muito pesado. Mas o sexto e último quark, o “top”, é um monstro: ligeiramente mais pesado que um átomo de tungstênio e 184 vezes a massa de um próton.

Ninguém sabe por que o quark top é tão massivo. O quark top é objeto de intenso estudo no Large Hadron Collider, exatamente por esse motivo. (Em Sydney, onde moro, a maior parte do nosso trabalho na experiência ATLAS concentra-se no quark top.)

Achamos que a massa muito grande pode ser uma pista. Talvez o quark top seja tão massivo porque sente novas forças, além das quatro que já conhecemos. Ou talvez tenha alguma outra conexão com a “nova física”.

Sabemos que as leis da física, tal como as entendemos atualmente, estão incompletas. Estudar o comportamento do quark top pode nos mostrar o caminho para algo novo.

Então, o emaranhamento significa que os quarks top são especiais?

Provavelmente não. A física quântica diz que o emaranhamento é comum e que todos os tipos de coisas podem ser emaranhados.

Mas o emaranhamento também é frágil.

Muitos experimentos de física quântica são feitos em temperaturas ultrabaixas, para evitar “bater” no sistema e perturbá-lo. E assim, até agora, o emaranhamento foi demonstrado em sistemas onde os cientistas podem estabelecer as condições certas para fazer as medições.

Por razões técnicas, a massa muito grande do quark top faz dele um bom laboratório para estudar o emaranhamento. (A nova medição ATLAS não teria sido possível para os outros cinco tipos de quark.)

Mas os pares de quarks superiores não serão a base de uma nova tecnologia conveniente: não se pode pegar no Grande Colisor de Hádrons e carregá-lo consigo.

No entanto, os quarks top fornecem um novo tipo de ferramenta para realizar experimentos, e o emaranhamento é interessante por si só, então continuaremos procurando para ver o que mais encontramos.

Bruce YabsleyProfessor Associado de Física, Universidade de Sydney

Este artigo foi republicado de A conversa sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.