L’entanglement quantistico, un fenomeno centrale nella fisica delle particelle, ha recentemente fatto notizia grazie a un’importante scoperta. Questa caratteristica affascinante della fisica quantistica, conosciuta come la teoria del “molto piccolo”, descrive come due particelle, se legate quantisticamente, possano avere stati interdipendenti, indipendentemente dalla loro distanza. Tale fenomeno, che non ha riscontri nella fisica classica, è stato osservato in vari sistemi e ha trovato applicazioni significative, tra cui la crittografia e l’informatica quantistica.
I fotoni entangled
Nel 2022, il Premio Nobel per la Fisica è stato conferito ad Alain Aspect, John F. Clauser e Anton Zeilinger per i loro esperimenti pionieristici sui fotoni entangled. Questi studi hanno confermato le previsioni del teorico del CERN John Bell, contribuendo a far progredire la scienza dell’informazione quantistica.
Tuttavia, l’entanglement quantistico era rimasto largamente inesplorato alle alte energie che i collisori di particelle come il Large Hadron Collider (LHC) possono raggiungere. Oggi, uno studio pubblicato su Nature segna una svolta significativa: il team di ATLAS ha riportato per la prima volta l’osservazione dell’entanglement quantistico all’LHC tra particelle fondamentali chiamate top quark, alle energie più elevate mai raggiunte. Questo risultato, segnalato per la prima volta da ATLAS nel settembre 2023 e confermato successivamente da due osservazioni della collaborazione CMS, apre una nuova prospettiva nel campo della fisica quantistica.
L’entanglement non è solo quantistico
“Sebbene la fisica delle particelle sia profondamente radicata nella meccanica quantistica, l’osservazione dell’entanglement quantistico in un nuovo sistema di particelle e a un’energia molto più alta di quanto fosse possibile in precedenza è notevole“, ha dichiarato Andreas Hoecker, portavoce di ATLAS. “Apre la strada a nuove indagini su questo affascinante fenomeno, aprendo un ricco menu di esplorazione man mano che i nostri campioni di dati continuano a crescere“, ha aggiunto Hoecker.
Le osservazioni hanno riguardato l’entanglement quantistico tra un quark top e la sua controparte di antimateria, basandosi su un metodo recentemente proposto per utilizzare le coppie di quark top prodotte all’LHC come sistema per studiare l’entanglement. Il quark top, la particella fondamentale più pesante conosciuta, normalmente decade in altre particelle prima di poter combinarsi con altri quark, trasferendo così il suo spin e altre caratteristiche quantistiche ai prodotti di decadimento. I fisici hanno osservato questi prodotti di decadimento per dedurre l’orientamento dello spin del quark top.
Osservare l’entanglement
Per osservare l’entanglement tra i quark top, le collaborazioni ATLAS e CMS hanno selezionato coppie di quark top dai dati delle collisioni protone-protone avvenute a 13 teraelettronvolt durante la seconda fase di LHC, tra il 2015 e il 2018. In particolare, sono state esaminate coppie in cui i quark erano prodotti simultaneamente con un basso momento l’uno rispetto all’altro, prevedendo un forte entanglement degli spin. La presenza e il grado di intreccio degli spin sono stati dedotti dall’angolo tra le direzioni di emissione dei prodotti di decadimento elettricamente carichi dei due quark. Misurando queste separazioni angolari e correggendo gli effetti sperimentali, i gruppi di ricerca hanno osservato l’entanglement di spin con una significatività statistica superiore a cinque deviazioni standard.
Nel suo secondo studio, CMS ha anche cercato coppie di quark top in cui i quark erano prodotti simultaneamente con un elevato momento l’uno rispetto all’altro. In questo dominio, per una grande frazione delle coppie di quark top, si prevede che le posizioni e i tempi relativi dei due decadimenti dei quark top escludano lo scambio classico di informazioni da parte di particelle che viaggiano a non più della velocità della luce. CMS ha osservato l’entanglement di spin anche in questi casi.
“Con le misurazioni dell’entanglement e di altri concetti quantistici in un nuovo sistema di particelle e a un intervallo di energia superiore a quello precedentemente accessibile, possiamo testare il modello standard della fisica delle particelle in modi nuovi e cercare i segni di una nuova fisica che potrebbe trovarsi al di là di esso“, ha dichiarato Patricia McBride, portavoce del CMS.
