El entrelazamiento cuántico es posiblemente la característica más genuina y fascinante de la física cuántica, la teoría de lo muy pequeño. Si dos partículas están entrelazadas cuánticamente, el estado de una partícula está vinculado al de la otra, sin importar cuán alejadas estén. Este asombroso fenómeno, que no tiene análogo en la física clásica, ha sido observado en una amplia variedad de sistemas y ha encontrado varias 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 las propiedades del entrelazamiento hechas por el físico teórico John Bell en la década de 1960, y dieron origen a la ciencia de la información cuántica.

El entrelazamiento ha permanecido en gran medida inexplorado a altas energías, ya que éstas sólo son accesibles a través de grandes colisionadores de partículas como el LHC. En un artículo publicado hoy en Nature, la colaboración ATLAS explica cómo logró observar el entrelazamiento cuántico entre dos quarks top por primera vez, y además a la energía más alta hasta el momento, 13 teraelectronvoltios. Observado por primera vez por ATLAS en septiembre de 2023 y posteriormente confirmado en observaciones independientes realizadas por la colaboración CMS, este resultado ha abierto una nueva ventana hacia 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 es notable", dice Andreas Hoecker, portavoz de ATLAS. "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".

Los equipos de ATLAS y CMS observaron el entrelazamiento cuántico entre un quark top y un antiquark top. Las observaciones se basan en un método propuesto recientemente para utilizar pares de tops 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. La propiedad que nos interesa para estudiar el entrelazamiento es el espín, una especie de campo magnético en miniatura que la mayoría de las partículas tienen.

En los experimentos del LHC el espín de los tops se deduce a partir de las partículas a las que éstos se desintegran. Para observar el entrelazamiento, las colaboraciones de ATLAS y CMS seleccionaron pares de tops a partir de datos de colisiones protón-protón que tuvieron lugar a una energía de 13 TeV durante el segundo periodo de toma de datos del LHC, entre 2015 y 2018. En particular, buscaron pares en los que los dos quarks se produjeran simultáneamente con velocidad baja. Es en este caso donde se espera que los espines de los dos quarks estén fuertemente entrelazados. La presencia de entrelazamiento y la intensidad de éste pueden inferirse a partir del ángulo entre las partículas cargadas que se producen en la desintegración de los dos quarks. Tras medir estas separaciones angulares y corregir los efectos propios del proceso de medida, los equipos de ATLAS y CMS observaron entrelazamiento en los espines de los quarks top con una certidumbre estadística superior a cinco desviaciones estándar.

Participación del IFIC

El Instituto de Física Corpuscular (IFIC, CSIC-UV), centro de excelencia Severo Ochoa, es pionero en España en la investigación en física de partículas, física nuclear y de astropartículas, así como en sus aplicaciones tanto en física médica como en otros campos de la ciencia y la tecnología. El IFIC participa en el experimento ATLAS del LHC desde sus comienzos, un detector del tamaño de una catedral donde participan 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 Nature”, comenta Carlos Escobar, investigador Ramón y Cajal del CSIC en el IFIC. “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”, asegura Marcel Vos, investigador del CSIC en el IFIC.

Referencias:

• The ATLAS Collaboration. Observation of quantum entanglement with top quarks at the ATLAS detector. Nature 633, pp. 542–547 (2024)
• The CMS collaboration. Observation of quantum entanglement in top quark pair production in proton-proton collisions at sqrt(s) = 13 TeV. arXiv:2406.03976
• Y. Afik y J.F. Muñoz de Nova. Entanglement and quantum tomography with top quarks at the LHC. EPJPlus 136, nº 907 (2021)