Cuando un fotón de alta energía choca contra un protón, las partículas secundarias divergen de una manera que indica que el interior del protón está enredado al máximo. Un equipo internacional de físicos con la participación del Instituto de Física Nuclear de la Academia Polaca de Ciencias en Cracovia acaba de demostrar que el entrelazamiento máximo está presente en el protón incluso en los casos en que los pomerones están involucrados en las colisiones.

Hace dieciocho meses, se demostró que diferentes partes del interior del protón deben estar entrelazadas cuánticamente entre sí al máximo. Este resultado, logrado con la participación del Prof. Krzysztof Kutak del Instituto de Física Nuclear de la Academia Polaca de Ciencias (FIP PAN) en Cracovia y el Prof. Martin Hentschinski de la Universidad de las Américas Puebla en México, fue consecuencia de consideraciones y observaciones de colisiones de fotones de alta energía con quarks y gluones en protones y respaldaron la hipótesis presentada unos años antes por los profesores Dimitri Kharzeev y Eugene Levin.

Ahora, en un artículo publicado en la revista Physical Review Letters , un equipo internacional de físicos ha presentado un análisis complementario del entrelazamiento de las colisiones entre fotones y protones en las que se producen partículas secundarias (hadrones) mediante un proceso llamado dispersión inelástica profunda difractiva. La pregunta principal era:¿se produce también el entrelazamiento entre quarks y gluones en estos casos? Y, de ser así, ¿es también máximo?

Dicho en términos simples, los físicos hablan de entrelazamiento entre varios objetos cuánticos cuando los valores de alguna característica de estos objetos están relacionados. El entrelazamiento cuántico no se observa en el mundo clásico, pero su esencia se explica fácilmente con el lanzamiento de dos monedas. Cada moneda tiene dos caras, y cuando cae, puede tomar uno de dos valores mutuamente excluyentes (cara o cruz) con la misma probabilidad.

Estaríamos ante el análogo del entrelazamiento cuántico si, al lanzar dos monedas simultáneamente, siempre obtuviéramos o sólo dos resultados diferentes (cara y cruz) o dos resultados idénticos (dos caras o dos cruces). En este caso, el entrelazamiento sería máximo porque no se favorecería ningún valor:la probabilidad de que una moneda estuviera en estado de cara o cruz seguiría siendo del 50%. Si el entrelazamiento no fuera máximo, la situación sería diferente.

No siempre observaríamos las mismas dos combinaciones, sino a veces también la otra.

"En física nuclear, la existencia de un estado de entrelazamiento máximo se puede ver en los datos experimentales al observarlos; sabemos que... no sabemos nada. En ciertas colisiones de un electrón con un protón, llamadas dispersión inelástica profunda, el protón se rompe por completo y se producen muchas partículas sujetas a interacciones fuertes, los llamados hadrones. Nos encontramos entonces ante un estado de entrelazamiento máximo del protón cuando no podemos predecir cuántos hadrones se crearán en una colisión determinada", explicó el profesor. . explica Kutak.

Estudios anteriores sobre el entrelazamiento máximo del interior del protón abordaron el caso mencionado anteriormente, donde los hadrones se producían en la profunda dispersión inelástica de un electrón y un protón. Estas reacciones son fáciles de detectar en experimentos porque dan como resultado partículas secundarias que divergen prácticamente en todas direcciones (es decir, aquellas que involucran la dirección primaria del movimiento de los protones).

"Sin embargo, se sabe que aproximadamente una de cada diez colisiones ocurre de manera diferente:detrás del punto de colisión, en ciertos intervalos angulares, no se ve ninguna partícula. Precisamente a estos procesos los llamamos difracción o producción exclusiva, y están en el centro centro de nuestra investigación actual sobre el entrelazamiento cuántico", añade el profesor Kutak.

La producción en el proceso inelástico profundo resulta de la interacción de un fotón con partones (quarks y gluones) en un protón. En el caso de la producción difractiva, el fotón también interactúa con una parte del protón, pero que forma parte de una estructura más grande denominada pomerón.

La característica cuántica más importante de los gluones es su color (que no tiene nada que ver con el color tal como lo conocemos en la vida cotidiana, aparte del nombre). Las partículas secundarias, observadas en los detectores como efecto de las colisiones, son el resultado de procesos en los que los quarks y gluones de un protón intercambian su carga de color. Sin embargo, los gluones pueden formar estados ligados llamados pomerones, donde el color se neutraliza mutuamente.

Cuando, durante una colisión entre un fotón y un partón, resulta que el partón era parte de un pomerón, la colisión no producirá hadrones que diverjan en todo el rango angular cubierto por los detectores. En cambio, algunos de los detectores, teóricamente capaces de ver las partículas producidas durante la fase de colisión en cuestión, permanecerán en silencio.

El equipo internacional de físicos pudo demostrar que durante las colisiones entre pomerones se crea también dentro del protón un estado en el que todas las partículas están enredadas al máximo. Sin embargo, es evidente una diferencia con los casos analizados anteriormente:cuando se trata de pomerones, el entrelazamiento máximo aparece con una energía ligeramente mayor.

La presente investigación complementa nuestro conocimiento previo sobre el curso de los eventos durante las colisiones entre fotones y protones. Gracias a ello, ahora se puede decir que el entrelazamiento máximo es un fenómeno universal en estos procesos, presente en los dos mecanismos de producción de partículas secundarias que conocemos.

"Nuestro resultado no sólo tiene importancia teórica, sino también práctica. De hecho, una comprensión más profunda de cómo se forma un estado máximamente entrelazado dentro del protón permitirá una mejor interpretación de los resultados de futuros colisionadores de partículas como el Colisionador de Iones y Electrones". concluye el profesor Kutak

Más información: Martin Hentschinski et al, Investigación del inicio del entrelazamiento máximo dentro del protón en dispersión inelástica profunda difractiva, Cartas de revisión física (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.241901

Información de la revista: Cartas de revisión física

Proporcionado por la Academia Polaca de Ciencias