Um grupo de pesquisadores do Laboratório Nacional Brookhaven, do Departamento de Energia dos Estados Unidos (DOE), conduziu experimentos para analisar prótons e entender melhor seus processos internos. Os resultados indicam que quarks e glúons dentro dessas partículas estão envolvidos em um fenômeno característico da mecânica quântica: o emaranhamento quântico.
O emaranhamento quântico foi observado pela primeira vez em meados da década de 1970, durante experimentos voltados a compreender mais sobre as partículas subatômicas. Apesar de cientistas já terem estudado esse fenômeno antes, eles nunca haviam encontrado evidências de sua ocorrência dentro dos prótons.
Como eles conseguiram chegar nessa descoberta? Os físicos desenvolveram uma nova abordagem para analisar dados de colisões de partículas de alta energia e explorar o interior dos prótons. Utilizando essa técnica, os autores mapearam os rastros deixados pelas partículas e identificaram evidências do emaranhamento quântico entre quarks e glúons nessas estruturas subatômicas.
Em um estudo publicado na revista científica Reports on Progress in Physics (ROPP), os pesquisadores relatam que o esforço foi realizado durante seis anos de pesquisa.
A análise dos dados permitiu mapear com precisão como o emaranhamento influencia a distribuição de partículas estáveis que surgem em diferentes ângulos das colisões. Esse processo ocorre quando quarks e glúons liberados nesses eventos se fundem, formando novas partículas.
"Por décadas, tivemos uma visão tradicional do próton como uma coleção de quarks e glúons, e nos concentramos em entender as chamadas propriedades de partículas únicas, incluindo como quarks e glúons são distribuídos dentro do próton. Agora, com evidências de que quarks e glúons estão emaranhados, esse cenário mudou. Temos um sistema muito mais complicado e dinâmico", explica o coautor do estudo Zhoudunming Tu, físico do Laboratório Nacional Brookhaven, em um comunicado.
O que é o emaranhamento quântico?
O emaranhamento quântico é um dos fenômenos mais estudados da mecânica quântica, pois desafia os princípios da física clássica. Nesse processo, duas partículas permanecem correlacionadas de forma única; ao medir uma delas, o estado da outra é instantaneamente determinado, independentemente da distância entre elas.
Por exemplo, se uma partícula emaranhada tem seu spin medido como ‘para cima’ em um lado do campo de futebol, a outra no lado oposto, terá seu spin automaticamente definido como "para baixo", mesmo sem qualquer transmissão de informação entre elas.
Apesar de o emaranhamento quântico poder acontecer a grandes distâncias, o estudo conduzido por cientistas do Laboratório Nacional Brookhaven analisou esse fenômeno em uma escala extremamente curta. As partículas permaneceram separadas por menos de um quatrilionésimo de metro dentro de prótons individuais.
Em um comunicado oficial, os cientistas destacam a importância de mapear o emaranhamento quântico entre quarks e glúons dentro do núcleo dos prótons para entender melhor as propriedades complexas da física nuclear. Esse tema será um dos focos do Electron-Ion Collider (EIC), uma nova instalação do Laboratório Brookhaven, com construção prevista para ser concluída em meados de 2030.
Emaranhamento quântico em quarks e glúons
Até então, ninguém havia detectado o emaranhamento em um próton em dados de colisões de alta energia. Contudo, as evidências coletadas nesses últimos experimentos demonstram que a interação entre quarks e glúons é muito mais complexa e dinâmica do que se imaginava.
Os pesquisadores recorreram à linguagem e às equações da ciência da informação quântica para analisar o impacto do emaranhamento nas partículas resultantes de colisões entre elétrons e prótons. A abordagem para investigar a estrutura do próton foi proposta em 2017, mas os resultados do estudo só agora passaram por revisão por pares.
Antes dos experimentos, os cientistas acreditavam que, se quarks e glúons estivessem de fato emaranhados, as partículas geradas nas colisões exibiriam padrões previsíveis caracterizados por uma alta entropia — a entropia é uma medida usada para entender o grau de desordem de um sistema. A abordagem desenvolvida em 2017 já antecipava esse comportamento, mas os novos dados coletados confirmam que essa hipótese está correta.
As colisões de partículas são processos extremamente complexos, com várias etapas influenciando os resultados. Mas o estudo mostrou que a entropia das partículas liberadas já é definida pelo emaranhamento quântico presente nos prótons antes da colisão. Isso significa que, mesmo com as interações intermediárias, a entropia segue um padrão previsível, o que facilita a exploração de fenômenos complexos da física nuclear.
Um dos maiores mistérios da física nuclear e de partículas é entender por que os quarks e glúons permanecem confinados dentro dos prótons. Os cientistas pretendem utilizar o Electron-Ion Collider (EIC) justamente para investigar essa e outras questões relacionadas ao emaranhamento quântico.
"Para um estado de quarks e glúons emaranhado ao máximo, existe uma relação simples que nos permite prever a entropia das partículas produzidas em uma colisão de alta energia. Em nosso estudo, testamos essa relação utilizando dados experimentais", disse o físico teórico associado ao Brookhaven Lab e à Stony Brook University, Dmitri Kharzeev.
Para a equipe, essa abordagem é fundamental para avançar na compreensão das propriedades dos prótons e como elas podem variar em diferentes condições. Além da física nuclear, os resultados do estudo também podem contribuir para um melhor entendimento da computação quântica.
O emaranhamento quântico é um dos fenômenos mais intrigantes da física, não é à toa que ele continua desafiando nossa compreensão sobre a natureza das partículas. Quer saber mais sobre o assunto? Entenda como cientistas cronometram "nascimento" do emaranhamento quântico pela 1ª vez. Até a próxima!
