Anche le particelle più pesanti sono soggette alla solita stranezza quantistica, mostra un nuovo esperimento

Una delle previsioni più sorprendenti della fisica è l’entanglement, un fenomeno in cui gli oggetti possono trovarsi a una certa distanza l’uno dall’altro ma essere comunque legati insieme. Gli esempi più noti di entanglement coinvolgono piccoli frammenti di luce (fotoni) a basse energie.

Al Large Hadron Collider di Ginevra, il più grande acceleratore di particelle del mondo, un esperimento chiamato ATLAS ha appena scoperto l’entanglement in coppie di quark top: le particelle più pesanti conosciute dalla scienza.

I risultati sono descritti in Nuova carta Da me e dai miei colleghi del progetto ATLAS, pubblicato oggi in natura.

Cos’è l’intreccio?

Nella nostra vita quotidiana, pensiamo alle cose come “separate” o “connesse”. Due palline distanti un chilometro l’una dall’altra vengono separate. Le due palline collegate da un filo sono collegate.

Quando due oggetti sono intrecciati, non esiste alcuna connessione fisica tra loro, ma non sono nemmeno veramente separati. Puoi effettuare una misurazione del primo oggetto, e questo è sufficiente per sapere cosa sta facendo il secondo oggetto, anche prima di guardarlo.

I due corpi formano un unico sistema, anche se non c’è nulla che li colleghi. È stato dimostrato che funziona con i fotoni sui lati opposti della città.

L’idea sarà familiare ai fan della serie TV 3 Body Problem, recentemente pubblicata, basata sui romanzi di fantascienza di Liu Cixin. Nella serie, gli alieni inviano un piccolo supercomputer sulla Terra, per manipolare la nostra tecnologia e consentire loro di comunicare con noi. Poiché questo minuscolo essere è impigliato con il suo gemello alieno, gli alieni possono comunicare con lui e controllarlo, anche se si trova a quattro anni luce di distanza.

Questa parte della storia è fantascienza: l’entanglement non consente di inviare segnali più veloci della luce. (L’entanglement sembra permetterti di farlo, ma secondo la fisica quantistica questo non è possibile. Finora tutti i nostri esperimenti sono stati coerenti con questa previsione.)

Ma il coinvolgimento in sé è reale. Ciò è stato dimostrato per la prima volta per i fotoni negli anni ’80in quello che era allora Esperienza avanzata.

Oggi è possibile acquistare da un fornitore commerciale una scatola che emetterà coppie di fotoni intrecciati. L’entanglement è una delle proprietà descritte dalla fisica quantistica, ed è quella che scienziati e ingegneri stanno cercando di sfruttare per creare nuove tecnologie, come l’informatica quantistica.

Dagli anni ’80 si osserva entanglement anche con atomi, con alcune particelle subatomiche e perfino con piccoli oggetti sottoposti a leggerissime vibrazioni. Tutti questi esempi esistono a basse energie.

La novità arrivata da Ginevra è che l’entanglement è stato osservato in coppie di particelle chiamate quark top, dove enormi quantità di energia sono contenute in uno spazio molto piccolo.

Cosa sono i quark?

La materia è costituita da molecole, le molecole sono costituite da atomi e l’atomo è costituito da particelle leggere chiamate elettroni che orbitano attorno a un nucleo pesante al centro, come il sole al centro del sistema solare. Lo sapevamo già da esperimenti condotti a partire dal 1911 circa.

Poi abbiamo appreso che il nucleo è costituito da protoni e neutroni e negli anni ’70 abbiamo scoperto che protoni e neutroni sono costituiti da particelle più piccole chiamate quark.

Esistono sei tipi di quark in totale: i quark “up” e “down” che compongono i protoni e i neutroni, e poi quattro tipi più pesanti. Il quinto quark, il quark “bello” o “inferiore”, è circa quattro volte e mezzo più pesante del protone, e quando lo trovammo pensammo che fosse molto pesante. Ma il sesto e ultimo quark, il quark “top”, è una bestia: leggermente più pesante di un atomo di tungsteno e 184 volte la massa di un protone.

Nessuno sa perché il quark top sia così massiccioIl quark top è oggetto di intensi studi al Large Hadron Collider, proprio per questo motivo. (A Sydney, dove vivo, la maggior parte del nostro lavoro nell’esperimento ATLAS riguarda il quark top.)

Pensiamo che la massa estremamente grande possa esserne la prova. Forse il quark top è così massiccio perché percepisce nuove forze, oltre le quattro che già conosciamo. Oppure potrebbe avere qualche altro collegamento con la “nuova fisica”.

Sappiamo che le leggi della fisica, così come le intendiamo attualmente, sono incomplete. Studiare il comportamento del quark top potrebbe indicarci la strada verso qualcosa di nuovo.

L’entanglement significa che i quark top sono speciali?

Forse no. La fisica quantistica dice che l’entanglement è comune e che tutti i tipi di cose possono rimanere intrappolate.

Ma anche l’entanglement quantistico è fragile. Molti esperimenti di fisica quantistica vengono condotti a temperature molto fredde, per evitare di “sconvolgere” il sistema e disturbarlo. Finora, l’entanglement quantistico è stato dimostrato solo in sistemi in cui gli scienziati possono creare le giuste condizioni per effettuare misurazioni.

Per ragioni tecniche, la massa estremamente grande del quark top lo rende un buon laboratorio per studiare l’entanglement. (Non è stato possibile effettuare nuove misurazioni ATLAS per gli altri cinque tipi di quark.)

Ma le coppie di quark top non costituiranno la base per una nuova tecnologia conveniente: non puoi portare l’LHC con te ovunque tu vada. Tuttavia, i quark top forniscono un nuovo tipo di strumento per gli esperimenti e l’entanglement è interessante di per sé, quindi continueremo a cercare per vedere cosa potremmo trovare.

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