Constituye la primera observación de interferencia cuántica entre partículas diferentes y ofrece un nuevo enfoque para mapear la distribución de gluones y otras partículas en los núcleos.
Científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven, del Departamento de Energía de EE.UU., demostraron que es posible obtener detalles precisos sobre la disposición de los protones y neutrones en el núcleo atómico gracias a un tipo de entrelazamiento cuántico nunca antes vistos en un experimento. Los investigadores comunicaron que emplearon el Colisionador Relativista de Iones Pesados para rozar entre sí, a gran velocidad, átomos de oro y estudiar al detalle el enredo de partículas producidas en la interacción.
Como una tomografía
«Esta técnica es similar a la forma en que los médicos usan la tomografía por emisión de positrones para ver qué sucede dentro del cerebro y otras partes del cuerpo», comenta el físico, James Daniel Brandenburg, exinvestigador de Brookhaven. «Pero en este caso, estamos hablando de trazar características en la escala de femtómetros, milbillonésima [parte] de metro, del tamaño de un protón individual», agregó.
Un protón está constituido por tres quarks unidos por el intercambio de una partícula portadora de fuerza llamada ‘gluón’. Sin embargo, intentar obtener detalles de este micromundo es una tarea extremadamente difícil. En condiciones normales los fotones y los gluones no interactúan entre sí. No obstante, si se le aplica suficiente energía, las ondas de luz ocasionalmente pueden agitar pares de partículas como los quarks y los antiquarks.
Los expertos consideran que la vibración de estos quarks opuestos podría mezclarse con los gluones del interior del núcleo y formar temporalmente un conglomerado conocido como ‘partícula rho’ (ρ), que en una fracción de segundo se fragmenta en un par de partículas cargadas llamadas ‘piones’ (π), uno positivo y otro negativo. Rastrear el camino y las propiedades de los piones formados de esta manera podría ser muy valioso para los científicos que intentan descifrar el interior de los núcleos atómicos.
Los investigadores descubrieron que era posible utilizar como fuente de fotones los campos electromagnéticos que rodean a los átomos de oro, que se mueven a altas velocidades. «Demostramos que esos fotones están polarizados, con su campo eléctrico irradiando hacia afuera desde el centro del ion«, sostiene Zhangbu Xu, físico de Brookhaven. «Y ahora usamos esa herramienta, la luz polarizada, para obtener imágenes efectivas de los núcleos a alta energía», explicó.
Algo totalmente inesperado
Al hacer rozar dos átomos de oro viajando en direcciones opuestas en el colisionador, los fotones de luz generaron pares de piones cargados. El análisis mostró signos de interferencia que apuntaban al entrelazamiento de estas partículas diferentes. Algo totalmente inesperado. En entornos cuánticos típicos, solo se observa entrelazamiento entre los mismos tipos de partículas: electrones con electrones, fotones con fotones y átomos con átomos. Aunque teóricamente era posible, este raro fenómeno constituyó la primera observación experimental de entrelazamiento que involucra partículas diferentes.
Al rastrear los patrones de interferencia, los físicos pudieron obtener un retrato bidimensional de la distribución del gluón, proporcionando nuevos conocimientos sobre las estructuras de las partículas nucleares. «Ahora podemos tomar una fotografía en la que realmente podemos distinguir la densidad de los gluones en un ángulo y un radio dados«, señaló Brandenburg. «Las imágenes son tan precisas que incluso podemos comenzar a ver la diferencia entre dónde están los protones y dónde están dispuestos los neutrones dentro de estos grandes núcleos», acotó.
La investigación fue publicada en la revista Science Advances.
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