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El detector STAR, del tamaño de una casa, situado en el Colisionador Relativista de Iones Pesados (RHIC), actúa como una cámara digital 3D gigante para rastrear las partículas que emergen de las colisiones de partículas en el centro del detector. Crédito: Laboratorio Nacional de Brookhaven
El novedoso método, desarrollado por físicos nucleares en el detector STAR del Colisionador Relativista de Iones Pesados (RHIC), se basa en las partículas de luz que rodean a los iones de oro cuando giran a toda velocidad alrededor del colisionador y en un nuevo tipo de entrelazamiento cuántico nunca visto hasta ahora.
Mediante una serie de fluctuaciones cuánticas, los fotones interactúan con los gluones, partículas similares al pegamento que mantienen unidos a los quarks dentro de los protones y neutrones de los núcleos.
Esas interacciones producen una partícula intermedia que decae rápidamente en dos piones (π) de diferente carga.
Midiendo la velocidad y los ángulos con los que estas partículas π+ y π- chocan contra el detector STAR del RHIC, los físicos nucleares de la Colaboración STAR pueden retroceder para obtener información crucial sobre el fotón, y utilizarla para trazar la disposición de los gluones dentro del núcleo con mayor precisión que nunca.
"Esta técnica es similar al modo en que los médicos utilizan la tomografía por emisión de positrones (PET) para ver lo que ocurre en el interior del cerebro y otras partes del cuerpo", explica el Dr. James Daniel Brandenburg, miembro de la Colaboración STAR y físico del Laboratorio Nacional de Brookhaven y la Universidad Estatal de Ohio.
"Pero en este caso, estamos hablando de cartografiar características a escala de femtómetros -cuatrillonésimas de metro- del tamaño de un protón individual".
Izquierda: Los científicos utilizan el detector STAR para estudiar las distribuciones de gluones mediante el seguimiento de pares de piones (π) positivos (azul) y negativos (magenta). Estos pares de π proceden de la desintegración de una partícula rho (púrpura, ρ0), generada por las interacciones entre los fotones que rodean a un ion de oro a gran velocidad y los gluones dentro de otro que pasa muy cerca sin colisionar. Cuanto más se acerque el ángulo (Φ) entre π y la trayectoria del rho a 90 grados, más clara será la visión que los científicos obtengan de la distribución de gluones. Derecha: Las partículas π+ y π- medidas experimentan un nuevo tipo de entrelazamiento cuántico. He aquí la prueba: Cuando los núcleos se cruzan, es como si se generaran dos partículas rho (púrpura), una en cada núcleo (dorado) a una distancia de 20 femtómetros. Al desintegrarse cada rho, las funciones de onda de los piones negativos de cada desintegración interfieren y se refuerzan mutuamente, mientras que las funciones de onda de los piones positivos de cada desintegración hacen lo mismo, dando como resultado una función de onda π+ y una π- (también conocida como partícula) que chocan contra el detector. Estos patrones de refuerzo no serían posibles si los π+ y π- no estuvieran entrelazados. Crédito: Laboratorio Nacional de Brookhaven
Aún más sorprendente es la observación de un tipo completamente nuevo de interferencia cuántica que hace posibles sus mediciones.
"Medimos dos partículas salientes y está claro que sus cargas son diferentes -son partículas distintas-, pero vemos patrones de interferencia que indican que estas partículas están entrelazadas, o sincronizadas entre sí, aunque sean partículas distinguibles", afirma el Dr. Zhangbu Xu, miembro de la Colaboración STAR y físico del Laboratorio Nacional de Brookhaven.
Este descubrimiento puede tener aplicaciones que van mucho más allá del noble objetivo de trazar el mapa de los componentes básicos de la materia.
Por ejemplo, muchos físicos tratan de aprovechar el entrelazamiento, una especie de "conciencia" e interacción de partículas físicamente separadas.
Uno de sus objetivos es crear herramientas de comunicación y ordenadores mucho más potentes que los actuales.
Pero la mayoría de las observaciones de entrelazamiento realizadas hasta la fecha, incluida una demostración reciente de interferencia de láseres con diferentes longitudes de onda, han sido entre fotones o electrones idénticos.
"Se trata de la primera observación experimental de entrelazamiento entre partículas distintas", afirma Brandenburg.
Fuentes, créditos y referencias:
Laboratorio Nacional de Brookhaven - James Brandenburg, Tomography of ultra-relativistic nuclei with polarized photon-gluon collisions, Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.abq3903. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq3903
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