Científicos ven interferencia cuántica entre diferentes tipos de partículas por primera vez

Por primera vez, los científicos han observado la interferencia cuántica, una interacción ondulatoria entre partículas relacionadas con el extraño fenómeno cuántico del entrelazamiento, que se produce entre dos tipos diferentes de partículas. El descubrimiento podría ayudar a los físicos a comprender qué sucede dentro de un núcleo atómico.

Las partículas actúan como partículas y como ondas. Y la interferencia es la capacidad de la acción ondulatoria de una partícula para disminuir o amplificar la acción de otras partículas cuánticas, como la estela de dos barcos que se cruzan en un lago. A veces, las ondas superpuestas se suman para formar una ola más grande y, a veces, se anulan y borran la ola. Esta interferencia ocurre debido al entrelazamiento, uno de los aspectos más extraños de la física cuántica, que se predijo en la década de 1930 y se ha observado experimentalmente desde la década de 1970. Cuando se enredan, los estados cuánticos de múltiples partículas se vinculan para que las mediciones de una se correlacionen con las mediciones de las otras, incluso si una está en Júpiter y la otra en su jardín delantero.

A veces, las partículas diferentes pueden enredarse, pero hasta ahora, no se sabía que estas partículas entrelazadas que no coincidían interfirieran entre sí. Esto se debe a que parte de la medición de la interferencia se basa en que dos partículas en forma de onda no se pueden distinguir entre sí. Imagine dos fotones, o partículas de luz, de dos fuentes separadas. Si tuviera que detectar estos fotones, no habría forma de determinar de qué fuente proviene cada uno porque no hay forma de saber qué fotón es cuál. Gracias a las leyes cuánticas que gobiernan estas diminutas partículas, esta ambigüedad es realmente medible: todas las posibles historias de los dos fotones idénticos interfieren entre sí, creando nuevos patrones en las acciones ondulatorias finales de las partículas.

Sin embargo, estos patrones no suelen ocurrir con un par de partículas diferentes, incluso cuando están entrelazadas. Debido a que es posible diferenciar estas partículas, no hay misterio sobre sus historias y, por lo tanto, no hay interferencia entre estos diferentes mundos de posibilidades, es decir, hasta ahora.

Por primera vez, los físicos ahora han encontrado interferencia entre dos partículas subatómicas diferentes. Los investigadores hicieron la observación en el Colisionador Relativista de Iones Pesados ​​(RHIC), un acelerador de partículas colosal en el Laboratorio Nacional Brookhaven de Long Island. El hallazgo amplía la forma en que entendemos el entrelazamiento y ofrece nuevas oportunidades para usarlo para estudiar el mundo subatómico.

«Con esta nueva técnica, podemos medir el tamaño y la forma del núcleo hasta aproximadamente una décima parte de un femtómetro, una décima parte del tamaño de un protón individual», dice James Daniel Brandenburg, físico de la Universidad Estatal de Ohio y miembro del experimento STAR de RHIC, donde se observó el nuevo fenómeno. Eso es de 10 a 100 veces más preciso que las mediciones anteriores de núcleos atómicos de alta energía.

RHIC está diseñado para hacer colisionar iones pesados, como los núcleos de los átomos de oro. En este caso, sin embargo, los investigadores estaban interesados ​​en los cuasi accidentes, no en las colisiones. A medida que el oro se nuclea a una velocidad cercana a la de la luz a través del colisionador, crean un campo electromagnético que genera fotones. Cuando dos núcleos de oro se acercan pero no chocan, los fotones pueden hacer ping en los núcleos vecinos. Estos casi accidentes solían considerarse ruido de fondo, dice el colaborador de STAR Raghav Kunnawalkam Elayavalli, físico de la Universidad de Vanderbilt. Pero mirar los eventos cercanos «abrió un campo completamente nuevo de la física que inicialmente no era accesible», dice Kunnawalkam Elayavalli.

Cuando un fotón rebota en el núcleo de un ion de oro vecino, puede producir una partícula extraordinariamente corta llamada rho, que se descompone rápidamente en dos partículas llamadas piones, una con carga positiva y otra con carga negativa.

El pión positivo puede interferir con otros piones positivos causados ​​por otros sobrevuelos atómicos. El pión negativo puede interferir con otros piones negativos. Hasta ahora, todo esto es un libro de texto. Pero luego las cosas se ponen raras: debido a que los piones positivos y negativos están entrelazados, también interfieren entre sí. “Lo que están haciendo es algo que es estilísticamente diferente de una manera interesante”, dice Jordan Cotler, investigador postdoctoral en física teórica en la Sociedad de Becarios de la Universidad de Harvard, que no participó en la investigación.. El efecto de dos pasos de entrelazamiento e interferencia no viola ninguna regla básica de la mecánica cuántica, dice Cotler, pero es una forma «más inteligente» de extraer nueva información de estas partículas.

En particular, los fotones pueden actuar como pequeños láseres, escaneando los núcleos de los iones de oro con los que chocan. Estas interacciones permiten a los investigadores investigar partículas subatómicas como los quarks, que forman los protones y neutrones de un átomo, y los gluones, que mantienen unidos a los quarks. Los físicos aún no comprenden completamente cómo los protones obtienen propiedades como la masa y el espín, la versión cuántica del momento angular, a partir de este guiso de partículas entrelazadas.

Al medir el impulso de los piones, los investigadores pueden obtener una imagen de la densidad del objeto en el que rebotó el fotón, en este caso, las partículas subatómicas que forman el núcleo del ion. Los intentos anteriores de realizar este tipo de mediciones utilizando otros tipos de partículas a altas velocidades han dado lugar a una imagen frustrantemente borrosa.

Los científicos de STAR, sin embargo, descubrieron recientemente que los fotones en estos experimentos están polarizados, lo que significa que sus campos eléctricos viajan en una dirección particular. Esta polarización se transmite a los piones y se ve reforzada por la interferencia cuántica, dice Yoshitaka Hatta, físico del Laboratorio Nacional de Brookhaven, que no participó en la investigación. Al calcular con precisión la polarización, los investigadores pueden restar esencialmente el «desenfoque» de las mediciones del núcleo, lo que produce una imagen mucho más precisa. “De hecho, podemos ver la diferencia entre dónde están los protones y dónde están los neutrones dentro del núcleo”, dice Brandenburg. Los protones, dice, tienden a agruparse en el centro, rodeados por una “piel” de neutrones.

Más allá del tamaño del núcleo, hay otros detalles que esta técnica podría descubrir. Por ejemplo, el giro de un protón supera el giro de los quarks que forman un protón, lo que significa que hay algo dentro del protón que no se explica y que explica el resto del giro. Los gluones que mantienen unidos a los quarks son probablemente los culpables, dice Brandenburg, pero los científicos todavía tienen que encontrar una buena manera de saber lo que están haciendo. En el futuro, la nueva técnica podría permitir una visión más clara del giro de los gluones y otras propiedades.

«Lo que es tan maravilloso», dice Cotler, «es que estos experimentos contemporáneos aún están ampliando los límites de nuestra comprensión tanto de la mecánica cuántica como de la medición y abriendo nuevos horizontes tanto para la teoría como para el experimento».