Entanglement quantistico tra “quark top” alle massime energie osservate  

I ricercatori del CERN sono riusciti a osservare l'entanglement quantistico tra "quark top" e alle energie più elevate. Ciò è stato segnalato per la prima volta nel settembre 2023 e da allora confermato da una prima e una seconda osservazione. Le coppie di "quark top" prodotte al Large Hadron Collider (LHC) sono state utilizzate come nuovo sistema per studiare l'entanglement. 

I "quark top" sono le particelle fondamentali più pesanti. Decadono rapidamente trasferendo il loro spin alle loro particelle di decadimento. L'orientamento dello spin del quark top è dedotto dall'osservazione dei prodotti di decadimento.  

Il team di ricerca ha osservato l’intreccio quantistico tra un “quark top” e la sua controparte di antimateria a un’energia di 13 teraelettronvolt (1 TeV=10¹²  eV). Questa è la prima osservazione dell'entanglement in una coppia di quark (quark top e antiquark top) e l'osservazione dell'entanglement a più alta energia finora. 

L'entanglement quantistico ad alte energie è rimasto in gran parte inesplorato. Questo sviluppo apre la strada a nuovi studi.  

Nelle particelle quantistiche aggrovigliate, lo stato di una particella dipende dalle altre indipendentemente dalla distanza e dal mezzo che le separa. Lo stato quantistico di una particella non può essere descritto indipendentemente dallo stato delle altre nel gruppo di particelle aggrovigliate. Ogni cambiamento in una, influenza le altre. Ad esempio, una coppia di elettroni e positroni originata dal decadimento di un mesone pi greco è aggrovigliata. I loro spin devono sommarsi allo spin del mesone pi greco, quindi conoscendo lo spin di una particella, conosciamo lo spin dell'altra particella.  

Nel 2022 il premio Nobel per la fisica è stato assegnato ad Alain Aspect, John F. Clauser e Anton Zeilinger per gli esperimenti sui fotoni entangled. 

L'entanglement quantistico è stato osservato in un'ampia varietà di sistemi. Ha trovato applicazioni in crittografia, metrologia, informazione quantistica e calcolo quantistico. 

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Riferimenti:  

1. CERN. Comunicato stampa – Gli esperimenti LHC al CERN osservano l'entanglement quantistico alla massima energia finora. Pubblicato il 18 settembre 2024. Disponibile su https://home.cern/news/press-release/physics/lhc-experiments-cern-observe-quantum-entanglement-highest-energy-yet  

2. Collaborazione ATLAS. Osservazione dell'entanglement quantistico con quark top al rivelatore ATLAS. Nature 633, 542–547 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07824-z 

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PARTICELLE FONDAMENTALI  – Uno sguardo veloce

Le particelle fondamentali vengono classificate in fermioni e bosoni in base allo spin.

[UN]. I FERMIONI hanno spin in valori dispari di semi-interi (½, 3/2, 5/2, ….). Questi sono particelle di materia composto da tutti i quark e i leptoni.   – seguire le statistiche di Fermi-Dirac,   – avere uno spin intero semi-dispari   – obbediscono al principio di esclusione di Pauli, ovvero due fermioni identici non possono occupare lo stesso stato quantico o la stessa posizione nello spazio con lo stesso numero quantico. Non possono entrambi girare nella stessa direzione, ma possono girare in direzione opposta   I fermioni includono tutti i quark e i leptoni, nonché tutte le particelle composte costituite da un numero dispari di questi.  - Quark = sei quark (up, down, strange, charm, bottom e top).  – Si combinano per formare adroni come protoni e neutroni. – Non può essere osservato al di fuori degli adroni.   – Leptoni = elettroni + muoni + tau + neutrino + neutrino muonico + neutrino tau.    – 'Elettroni', 'quark up' e 'quark down', i tre costituenti più fondamentali di ogni cosa nell'universo.   – I protoni e i neutroni non sono fondamentali ma sono costituiti da 'quark up' e 'quark down' quindi sono particelle composite. Protoni e neutroni sono ciascuno costituito da tre quark: un protone è costituito da due quark “up” e un quark “down”, mentre un neutrone contiene due quark “down” e un quark “up”. “Up” e “down” sono due “sapori”, o varietà, di quark.  - Barioni sono fermioni compositi formati da tre quark, ad esempio protoni e neutroni sono barioni  - Gli adroni sono composti solo da quark, ad esempio i barioni sono adroni.

[B]. I BOSONI hanno spin in valori interi (0, 1, 2, 3, ….)   – I bosoni seguono la statistica di Bose-Einstein; hanno spin intero.   – prende il nome da Satyendra Nath Bose (1894–1974), che, insieme ad Einstein, sviluppò le idee principali alla base della termodinamica statistica di un gas di bosoni.   – non obbediscono al principio di esclusione di Pauli, ovvero due bosoni identici possono occupare lo stesso stato quantico o la stessa posizione nello spazio con lo stesso numero quantico. Possono entrambi ruotare nella stessa direzione,   – I bosoni elementari sono il fotone, il gluone, il bosone Z, il bosone W e il bosone di Higgs. Il bosone di Higgs ha spin=0 mentre i bosoni di gauge (ovvero, il fotone, il gluone, il bosone Z e il bosone W) hanno spin=1.

[C] PARTICELLE COMPOSITE – Le particelle composte possono essere bosoni o fermioni a seconda dei loro costituenti.  – Tutte le particelle composte formate da un numero pari di fermioni sono bosoni (perché i bosoni hanno spin intero e i fermioni hanno spin dispari semiintero).   – Tutti i mesoni sono bosoni (perché tutti mesoni sono costituiti da un numero uguale di quark e antiquark). – I nuclei stabili con numeri di massa pari sono i bosoni, ad esempio deuterio, elio-4, carbonio-12 ecc.  – Anche i bosoni compositi non obbediscono al principio di esclusione di Pauli.   – Diversi bosoni nello stesso stato quantistico si fondono per formare “Condensato di Bose-Einstein (BEC)."

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