Emaranhamento quântico ‘assustador’ descoberto dentro de prótons individuais pela primeira vez

Os físicos há muito suspeitam que os blocos de construção dos prótons experimentaram emaranhamento quântico. Agora, os pesquisadores têm a primeira evidência direta — após usar um truque para inferir a entropia das partículas subatômicas.

Cientistas examinaram o interior dos prótons e descobriram que quarks e glúons, seus blocos de construção fundamentais, sofrem emaranhamento quântico .

Partículas emaranhadas são conectadas umas às outras, de modo que uma mudança em uma instantaneamente causa uma mudança na outra, mesmo que estejam separadas por grandes distâncias. Albert Einstein notoriamente descartou a ideia como “ação fantasmagórica à distância”, mas experimentos posteriores provaram que o efeito bizarro de quebra de localidade é real.

Físicos já observaram o emaranhamento entre quarks antes , mas nunca encontraram evidências de que eles existam em um estado quântico conectado dentro dos prótons.

Agora, uma equipe de pesquisadores descobriu o emaranhamento entre quarks e glúons dentro de prótons a uma distância de um quatrilionésimo de metro — permitindo que as partículas compartilhem informações através do próton. Os pesquisadores publicaram suas descobertas em 2 de dezembro de 2024 no periódico Reports on Progress in Physics .

“Por décadas, tivemos uma visão tradicional do próton como uma coleção de quarks e glúons, e temos nos concentrado em entender as chamadas propriedades de partículas únicas, incluindo como os quarks e glúons são distribuídos dentro do próton”, disse o coautor do estudo Zhoudunming Tu , um físico do Laboratório Nacional Brookhaven em Upton, Nova York, em uma declaração . “Agora, com evidências de que quarks e glúons estão emaranhados, essa imagem mudou. Temos um sistema muito mais complicado e dinâmico.”

‘Ação assustadora’ na menor escala
A prova experimental do emaranhamento quântico surgiu pela primeira vez na década de 1970 , mas muitos aspectos do fenômeno permanecem relativamente inexplorados — incluindo as interações emaranhadas entre quarks. Isso ocorre principalmente porque as partículas subatômicas não existem por si mesmas e, em vez disso, se fundem em várias combinações de partículas conhecidas como hádrons. Por exemplo, bárions, como prótons e nêutrons, são combinações de três quarks fortemente ligados por glúons portadores de força forte .

Quando quarks individuais são arrancados de hádrons, a energia usada para extraí-los os torna instáveis, transformando-os em jatos ramificados de partículas em um processo chamado hadronização. Isso torna a tarefa de peneirar os trilhões de produtos de decaimento de partículas para reconstruir seu estado original incrivelmente difícil.

Mas foi exatamente isso que os pesquisadores fizeram. Para sondar o funcionamento interno dos prótons, os cientistas mineraram dados coletados pelos experimentos do colisor de partículas Large Hadron Collider (LHC) e Hadron-Electron Ring Accelerator (HERA).

Em seguida, eles aplicaram um princípio da ciência da informação quântica que diz que a entropia de um sistema (uma medida de quantos estados de energia um sistema pode ser organizado, muitas vezes incorretamente chamada de “desordem” ) aumenta com seu emaranhamento — fazendo com que a distribuição dos jatos de partículas pareça mais confusa.

Ao comparar os jatos de partículas com os cálculos de sua entropia, os físicos descobriram que os quarks e glúons dentro dos prótons em colisão existiam em um estado de emaranhamento máximo, cada um compartilhando a maior quantidade de informações possível.

“A entropia é geralmente associada à incerteza sobre algumas informações, enquanto o emaranhamento leva ao ‘compartilhamento’ de informações entre as duas partes emaranhadas. Então, essas duas podem ser relacionadas entre si na mecânica quântica “, disse Tu à Live Science em um e-mail. “Usamos a entropia prevista (com o emaranhamento assumido) para verificar o que os dados dizem, e encontramos grande concordância.”

Os cientistas dizem que sua descoberta pode ajudar a obter mais insights sobre partículas fundamentais — como quarks e glúons permanecem confinados dentro de prótons. A pesquisa também levantou mais questões sobre como o emaranhamento muda quando prótons são presos dentro de núcleos atômicos.

“Como os núcleos são feitos de prótons e nêutrons, é natural perguntar o que o emaranhamento faria com a estrutura dos núcleos”, disse Tu. “Planejamos usar o colisor elétron-íon (EIC) para estudar isso. Isso acontecerá em 10 anos. Antes disso, alguns tipos de colisão, as chamadas colisões ultraperiféricas em colisões de íons pesados, também podem funcionar.”