Se pare că există o corelație cuantică, așa-numitul entanglement cuantic, între cuarcii dintr-un proton. Acest rezultat, obținut în mod indirect de experimentul CMS de la marele accelerator LHC, dacă va fi confirmat, este extrem de important, întrucat ar putea contribui la dezlegarea misterului forței nucleare dintre cuarci, care nu pot fi izolați - apar în pereche cu un anticuarc sau în tripleți.

Entanglementul este o bizara proprietate cuantica, care este, pe de o parte, studiata in laboratoare de fizica cuantica din intreaga lume, pe de alta folosita cu mult succes in cadrul noilor tehnologii cuantice, precum in telecomunicatii care sunt extrem de sigure tocmai datorita acestei proprietati.

Ce este insa entaglement?

Doua (sau mai multe) particule care se nasc in ccadrul aceluiasi proces sau au interactionat intre ele raman „infratite”, astfel incat atunci cand facem ceva asupra uneia dintre particule (o masuram in laborator) cealalta resimte instantaneu acest proces, in urma caruia isi defineste o stare cuantica corelata cu cea a particulei masurate.

Aceasta proprietate a fost demonstrata separand fascicule de fotoni pe distante de sute sau chiar mii de kilometri: de indata ce unui din fotoni era masurat, functia lui de unda colapsand intr-una dintre posibile stari, celalalt foton instantaneu isi definea starea, corelata cu cea a fotonului masurat. Aceasta proprietate, o adevarata resursa cuantica, este utilizata la ora actuala in criptografia cuantica, intrucat comunicarea este extrem de sigura – hackerii nu pot „fura” informatiile, intrucat sunt prinsi imediat asupta faptului.

Recent, experimentul CMS de la maele accelerator de particule LHC de la Geneva, a efectuat masuratori de precizie asupra coliziunii fasciculelor de protoni, ajungand la concluzia ca in interiorul unui proton cuarcii din care este acatuit acesta sunt intr-o stare  de entanglement.

Protonii, particule nucleare cu sarcina electrica poztiva, se gasesc in orice nucleu al atomilor; numarul protonilor determinand elementul chimic. De exemplu, atomul cu sase protoni in nucleu este carbonul. Protonii la randul lor sunt alcatuiti din asa-numitii cuarci, particule elementare din cadrul Modelului Standard al fizicii particullor elementare. Protonii contin doi cuarci „up” si un cuarc „down”, care sunt legati intre ei de gluoni – mediatorii interactiunii nucleare puterice (asemanatori cu fotonii, care sunt mediatorii interactiunii electromagnetice).

Cercetatorii experimentului CMS au publicat recent un articol in care arata cum ca entropia care rezulta in urma ciocnirii protonilor la LHC este mai mare decat cea asteptata: entropia n plus, sustin acestia, ar fi generata de entanglementul dintre cuarcii si gluonii care alcatuiesc protonii (legaturi in plus fata de cele cunoscute). Entropia este o proprietate a unui sistem care este determinata de numarul starilor posibile ale sistemului.

Cercetatorii de la CMS au masurat entropia numarand particuele care rezultau in urma ciocnirii protonilor cu energii foarte mari de la LHC. Cum din acest proces rezulta mai multe particule decat se asteptau, au ajuns in mod indirect la concluzia urmatoare: cuarcii si gluonii din protoni sunt intr-o stare de entanglement cuantic. Evident, pentru o demonstratie finala mai este inca nevoie de multe studii.

Daca intr-adevar cuarcii si gluonii din protoni ar fi intr-o stare de corelatie cuantica acest lucru ar putea contribui la explicarea proprietatilor bizare ale fortei nucleare puternice, si anume a faptului ca nu exista cuarci izolati. Cuarcii apar mereu infratiti: ori cu un anti-cuarc (in cadrul mezonilor) ori cu alti doi cuarci (in cadrul barionilor, categorie di care face parte si protonul). La ora actuala cercetatorii care studiaza forta nucleara puternica nu au intels pe deplin aceasta proprietate; cuarcii sunt liberi doar atunci cand sunt impreuna (se numeste libertate asimptotica). In cadrul fizicii nucleare au fost propuse si dezvoltate mai multe modele care explica acest lucru, insa nici unul nu este perfect satisfacator, intrucat se bazeaza pe ipoteze si simplificari care stim ca in realitate nu se intampla.

Poate entanglementul cuantic in cadrul protonuui, daca va fi confirmat, va ajuta la intelegerea fortei nucleare dintre cuarci, care sta la baza compozitei materiei, inclusiv a noastra – a nucleelor atomilor din care suntem alcatuiti.

 

Articol scris de Cătălina Oana Curceanu, prim cercetător în domeniul fizicii particulelor elementare şi al fizicii nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Roma, Italia) şi colaborator al Scientia.ro