Storica scoperta al CERN: primo entanglement tra quark in un collisore di particelle

Per la prima volta, un fenomeno previsto dalla meccanica quantistica, già dimostrato con successo in numerosi esperimenti condotti a basse energie, è stato osservato in un collisore di particelle. Questo risultato apre nuove possibilità per testare l’entanglement quantistico anche a energie elevate, inaugurando una nuova era di studi.

In copertina: Il rivelatore ATLAS, parte del Large Hadron Collider, si trova a 100 metri sottoterra, dove misura varie proprietà delle particelle ad alta energia. Crediti: Maximilien Brice/CERN

I fisici del CERN hanno compiuto un’importante scoperta: l’osservazione per la prima volta dell’entanglement quantistico nei quark, particelle fondamentali della materia. L’entanglement quantistico è un fenomeno in cui due o più particelle diventano strettamente correlate, tanto che lo stato di una di esse influenza istantaneamente lo stato dell’altra, anche a grande distanza. È come se le particelle perdessero la loro individualità, e questo stato “collegato” non può essere descritto separatamente per ciascuna particella. Questo fenomeno, già osservato in particelle come elettroni e fotoni, è stato misurato per la prima volta anche tra i quark presso il CERN, vicino a Ginevra, sfruttando le alte energie generate dalle collisioni di protoni nel Large Hadron Collider (LHC).

L’entanglement è di solito misurato in ambienti a bassa energia, come nei computer quantistici mantenuti a temperature molto basse. Tuttavia, al CERN, il team ha affrontato la sfida di misurare questo fenomeno in un contesto molto rumoroso e ad alta energia, come quello delle collisioni di particelle che avvengono nel LHC. Queste collisioni creano un grande caos, paragonabile a cercare di ascoltare un sussurro in mezzo a un concerto rock. In particolare, i fisici hanno osservato circa un milione di coppie di quark top e anti-top, due tra le particelle fondamentali più pesanti conosciute, per trovare prove convincenti dell’entanglement.

La fisica quantistica, e in particolare il Modello Standard delle particelle, già prevede che le coppie di quark top possano essere entangled. Tuttavia, l’osservazione sperimentale dell’entanglement in questo contesto rappresenta comunque un traguardo significativo. Il Modello Standard è una delle teorie fondamentali della fisica delle particelle, e descrive come le particelle interagiscono tra loro attraverso le forze fondamentali.

Questa scoperta è frutto di anni di lavoro e discussioni tra scienziati, tra cui Yoav Afik e Juan Muñoz de Nova, che si domandavano se fosse possibile osservare l’entanglement tra quark all’interno di un collisore. L’idea era di sfruttare una proprietà quantistica dei quark chiamata “spin”, simile al momento angolare. Questo spin potrebbe essere correlato tra le coppie di quark top e anti-top, indicando che sono entangled.

Un aspetto importante che ha reso possibile l’osservazione è la breve vita dei quark top. A differenza di quark più leggeri, che si mescolano rapidamente con altre particelle, i quark top decadono così velocemente (in circa 10^-25 secondi) da mantenere le loro proprietà di spin prima di poter formare altre particelle, come protoni o neutroni. In questo modo, i ricercatori hanno potuto misurare le proprietà dei prodotti del decadimento e risalire a quelle originali dei quark top.

Nonostante la complessità della misurazione, i risultati sono stati straordinari: i fisici hanno misurato un parametro chiamato “D”, che descrive il grado di correlazione degli spin. Se D fosse stato inferiore a -1/3, i quark sarebbero stati considerati entangled. Ebbene, i team di ricerca hanno superato di gran lunga questo limite: il rivelatore ATLAS ha misurato un valore di D pari a -0,537, mentre il CMS ha ottenuto un valore di -0,480, confermando l’entanglement.

Questo successo apre nuove prospettive per la ricerca futura. L’osservazione dell’entanglement nei quark top potrebbe aiutare i fisici a comprendere meglio la fisica delle particelle e potrebbe portare a nuovi test dell’entanglement in altri tipi di particelle, come il bosone di Higgs. Quest’ultima particella, scoperta nel 2012 sempre al CERN, potrebbe persino essere utilizzata per effettuare test ancora più rigorosi dell’entanglement, noti come test di Bell, che sono in grado di mettere alla prova in modo più severo le fondamenta della meccanica quantistica.

L’entusiasmo tra i ricercatori è palpabile, poiché questa scoperta rappresenta un importante passo avanti nella fisica delle alte energie. Afik sottolinea che convincere la comunità scientifica dell’importanza di questo studio non è stato facile, poiché l’entanglement è un concetto ben noto nella meccanica quantistica e verificato in molte occasioni. Tuttavia, il fatto che non sia stato esplorato a fondo ad alte energie ha reso questo esperimento degno di attenzione.

Ora, grazie a queste scoperte, la possibilità di usare acceleratori di particelle come l’LHC per studiare in modo più approfondito l’entanglement è concreta, aprendo nuove frontiere nella ricerca della fisica fondamentale.

Fonte: NATURE