Gli scienziati trovano un ‘inquietante’ intreccio quantistico su scale incredibilmente piccole — all’interno dei singoli protoni

Un’illustrazione di un protone (la grande sfera dorata) che collide con un elettrone (la sfera rossa più piccola). Gli scienziati hanno utilizzato collisioni di particelle ad alta energia per scrutare all’interno dei protoni, le particelle che si trovano nei nuclei di tutti gli atomi. Questo ha rivelato per la prima volta che i quark e i gluoni, i mattoni dei protoni, sperimentano il fenomeno dell’entanglement quantistico. L’entanglement è l’aspetto della fisica quantistica che afferma che due particelle influenzate possono influenzarsi istantaneamente a vicenda, indipendentemente da quanto siano distanti — anche se si trovano ai lati opposti dell’universo. Albert Einstein fondò le sue teorie della relatività sull’idea che nulla possa viaggiare più veloce della luce, tuttavia, qualcosa che dovrebbe escludere la natura istantanea dell’entanglement. Di conseguenza, Einstein era così turbato dall’entanglement che lo descrisse famosamente come “spukhafte Fernwirkung” o “azione spettrale a distanza”. Tuttavia, nonostante lo scetticismo di Einstein sull’entanglement, questo fenomeno “spettrale” è stato verificato più e più volte. Molte di queste verifiche hanno riguardato il test delle distanze crescenti su cui l’entanglement può essere dimostrato. Questo nuovo test ha adottato l’approccio opposto, indagando l’entanglement su una distanza di appena un quadrilionesimo di metro, scoprendo che in realtà si verifica all’interno dei singoli protoni. Il team ha scoperto che la condivisione delle informazioni che definisce l’entanglement avviene attraverso interi gruppi di particelle fondamentali chiamate quark e gluoni all’interno di un protone. “Prima di fare questo lavoro, nessuno aveva esaminato l’entanglement all’interno di un protone nei dati sperimentali di collisioni ad alta energia,” ha detto un membro del team e fisico del Brookhaven Lab, Zhoudunming Tu, in una dichiarazione. “Per decenni, abbiamo avuto una visione tradizionale del protone come una raccolta di quark e gluoni, e ci siamo concentrati sulla comprensione delle cosiddette proprietà delle singole particelle, inclusa la distribuzione dei quark e dei gluoni all’interno del protone. “Ora, con prove che i quark e i gluoni sono entangled, questa visione è cambiata. Abbiamo un sistema molto più complicato e dinamico.” La ricerca del team, il culmine di sei anni di lavoro, affina la comprensione degli scienziati su come l’entanglement influenzi la struttura dei protoni. Per sondare la struttura interna dei protoni, gli scienziati hanno esaminato le collisioni di particelle ad alta energia che si sono verificate in strutture come il Large Hadron Collider (LHC). Quando le particelle collidono a velocità estremamente elevate, altre particelle si allontanano dalla collisione come rottami lanciati via da uno scontro tra due veicoli. Questo team ha utilizzato una tecnica sviluppata nel 2017 che applica la scienza dell’informazione quantistica alle collisioni elettrone-protone per determinare come l’entanglement influenzi i percorsi delle particelle che si allontanano. Se i quark e i gluoni sono entangled con i protoni, questa tecnica dice che ciò dovrebbe essere rivelato dal disordine, o “entropia”, visto negli spruzzi di particelle figlie. “Pensa alla stanza disordinata di un bambino, con biancheria e altre cose sparse ovunque,” ha detto Tu. “In quella stanza disorganizzata, l’entropia è molto alta.” Il contrasto a questo è una situazione di bassa entropia che è simile a una stanza ordinata e sistemata in cui tutto è organizzato al suo posto. Una stanza disordinata indica l’entanglement, per così dire. “Per uno stato massimamente entangled di quark e gluoni, c’è una relazione semplice che ci permette di prevedere l’entropia delle particelle prodotte in una collisione ad alta energia,” ha detto il teorico del Brookhaven Lab Dmitri Kharzeev nella dichiarazione. “Abbiamo testato questa relazione utilizzando dati sperimentali.” Per indagare quanto “disordinate” diventano le particelle dopo una collisione, il team si è prima rivolto ai dati generati dalle collisioni protone-protone condotte all’LHC. Poi, alla ricerca di dati più “puliti”, i ricercatori hanno esaminato le collisioni elettrone-protone effettuate all’Hadron-Electron Ring Accelerator (HERA) dal 1992 al 2007. Questi dati sono stati forniti dal team H1 e dal suo portavoce, nonché dal ricercatore del Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) Stefan Schmitt dopo una ricerca di tre anni tra i risultati di HERA. Confrontando i dati di HERA con i calcoli di entropia, i risultati del team hanno corrisposto perfettamente alle loro previsioni, fornendo prove solide che i quark e i gluoni all’interno dei protoni sono massimamente entangled. “L’entanglement non avviene solo tra due particelle ma tra tutte le particelle,” ha detto Kharzeev. “L’entanglement massimo all’interno del protone emerge come conseguenza di interazioni forti che producono un gran numero di coppie quark-antiquark e gluoni.” La rivelazione dell’entanglement massimo di quark e gluoni all’interno dei protoni potrebbe aiutare a rivelare cosa tiene insieme queste particelle fondamentali con i mattoni dei nuclei atomici. Scoprire i dettagli dell’entanglement tra quark e gluoni potrebbe aiutare gli scienziati a ricercare problemi più profondi nella fisica nucleare, come il modo in cui far parte di nuclei atomici più grandi influisce sulla struttura dei protoni. Ad esempio, mettere un protone in un ambiente nucleare molto affollato circondato da molti protoni e neutroni interagenti distrugge l’entanglement, un processo chiamato “decoerenza quantistica”, con i singoli protoni? “Per rispondere a questa domanda, dobbiamo far collidere elettroni non solo con singoli protoni ma con nuclei,” ha detto Tu. “Sarà molto utile usare gli stessi strumenti per vedere l’entanglement in un protone incorporato in un nucleo — per capire come è influenzato dall’ambiente nucleare.” Questa sarà una delle principali indagini condotte dal prossimo Electron-Ion Collider (EIC) del Brookhaven Lab. Come tale, questi risultati potrebbero essere una parte importante della roadmap per l’EIC, che dovrebbe iniziare le operazioni nel 2030. “Esaminare l’entanglement nell’ambiente nucleare ci dirà sicuramente di più su questo comportamento quantistico — come rimane coerente o diventa decoerente — e imparare di più su come si collega ai fenomeni tradizionali della fisica nucleare e delle particelle che stiamo cercando di risolvere,” ha concluso Tu. La ricerca del team è stata pubblicata sulla rivista Reports on Progress in Physics.