El IFIC participa en la observación del entrelazamiento cuántico a la mayor energía lograda hasta ahora

Este asombroso fenómeno de la física cuántica permite que dos partículas estén vinculadas a grandes distancias, y es la base de aplicaciones como la criptografía y la computación cuánticas. En el hallazgo participa el Instituto de Física Corpuscular (IFIC), ubicado en el Parc Científic de la Universitat de València (PCUV), en el marco de los  experimentos ATLAS y CMS del CERN

Los experimentos ATLAS y CMS del Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés) en el Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN) de Ginebra (Suiza) han observado, por primera vez y de forma independiente, el entrelazamiento cuántico entre dos quarks top, la partícula elemental más pesada que se conoce. Este fenómeno permite que dos partículas estén vinculadas sin importar la distancia a la que se encuentren. Además, esta observación se ha realizado a la mayor energía alcanzada hasta la fecha en un experimento, abriendo una nueva perspectiva en el complejo mundo de la física cuántica. En el hallazgo participa el Instituto de Física Corpuscular (IFIC), ubicado en el Parc Científic de la Universitat de València.

El entrelazamiento cuántico es posiblemente la característica más genuina y fascinante de la física cuántica, la teoría de lo muy pequeño. Si dos partículas están entrelazadas cuánticamente, el estado de una partícula está vinculado al de la otra, sin importar lo alejadas que estén. Este asombroso fenómeno, que no tiene análogo en la física clásica, ha sido observado en una amplia variedad de sistemas y ha encontrado varias aplicaciones importantes, como la criptografía cuántica y la computación cuántica. En 2022, el Premio Nobel de Física fue otorgado a Alain Aspect, John F. Clauser y Anton Zeilinger por sus experimentos pioneros con fotones entrelazados. Estos experimentos confirmaron las predicciones sobre la manifestación del entrelazamiento hechas por el físico teórico John Bell, y dieron origen a la ciencia de la información cuántica.

El entrelazamiento ha permanecido en gran medida inexplorado a altas energías, accesibles únicamente en grandes colisionadores de partículas como el LHC. En un artículo publicado en Nature, la colaboración ATLAS informa cómo logró observar el entrelazamiento cuántico en el LHC por primera vez entre partículas elementales llamadas quarks top y a la mayor energía hasta ahora, 13 teraelectronvoltios (TeV). Observado por primera vez por ATLAS en septiembre de 2023 y posteriormente confirmado en observaciones independientes realizadas por la colaboración CMS, este resultado ha abierto una nueva perspectiva en el complejo mundo de la física cuántica.

“Si bien la física de partículas está profundamente arraigada en la mecánica cuántica, la observación del entrelazamiento cuántico en un nuevo sistema de partículas y a la mayor energía lograda hasta era es un hito notable”, dice Andreas Hoecker, portavoz de ATLAS. “Abre el camino a nuevas investigaciones sobre este fascinante fenómeno, ofreciendo un rico menú de exploración a medida que nuestro volumen de datos continúa creciendo”.

El IFIC participa en el experimento ATLAS del LHC desde sus comienzos, un detector del tamaño de una catedral donde participan más de 3.000 físicos e ingenieros de todo el mundo. En concreto, dos investigadores del IFIC, Carlos Escobar y Marcel Vos, han participado en el proceso de revisión de todos los aspectos del análisis que ahora publica Nature

Los equipos de ATLAS y CMS observaron el entrelazamiento cuántico entre un quark top y un antiquark top, su antipartícula. Las observaciones se basan en un método propuesto recientemente para utilizar pares de quarks top producidos en el LHC como un nuevo sistema para estudiar el entrelazamiento. El quark top es la partícula elemental más pesada que se conoce. Normalmente, se desintegra en otras partículas antes de que tenga tiempo de combinarse con otros quarks, transfiriendo sus propiedades a las partículas a las que se desintegra. Es precisamente una de esas propiedades, el espín, la que permite estudiar el entrelazamiento entre dos partículas.

Para observar el entrelazamiento entre quarks top, las colaboraciones de ATLAS y CMS seleccionaron pares de quarks top a partir de datos de colisiones protón-protón que tuvieron lugar durante el segundo periodo de toma de datos del LHC, llamado Run2, entre 2015 y 2018. Los equipos de ATLAS y CMS observaron entrelazamiento del espín entre quarks top con una significancia estadística superior a cinco desviaciones estándar.

Participación del Instituto de Física Corpuscular de Valencia

El Instituto de Física Corpuscular (IFIC), centro de excelencia Severo Ochoa, es pionero en España en la investigación en física de partículas, física nuclear y de astropartículas, así como en sus aplicaciones tanto en física médica como en otros campos de la ciencia y la tecnología. El IFIC participa en el experimento ATLAS del LHC desde sus comienzos, un detector del tamaño de una catedral donde participan más de 3.000 físicos e ingenieros de todo el mundo. En concreto, dos investigadores del IFIC, Carlos Escobar y Marcel Vos, han participado en el proceso de revisión de todos los aspectos del análisis que ahora publica Nature.

“Como es normal con un resultado rompedor, ha sido un proceso de revisión intenso, tanto dentro de la colaboración como con la revista. Después de tres años de trabajo, estamos muy contentos de ver este resultado publicado en Nature”, comenta Carlos Escobar, investigador Ramón y Cajal del CSIC en el IFIC. “Esta medida de ATLAS y la confirmación de CMS marcan el inicio de una nueva forma de estudiar los fundamentos de la mecánica cuántica. Hay muchas ideas nuevas explorando el potencial del LHC para aclarar la interpretación de la física cuántica”, asegura Marcel Vos, investigador del CSIC en el IFIC.