Un team di fisici dell’esperimento ATLAS del CERN, ha annunciato di aver misurato per la prima volta l’entanglement quantistico dei quark top, le particelle elementari più pesanti che si conoscano, alla massima energia mai raggiunta, pari a 13 TeV (teraelettronvolt).
L’entanglement quantistico è un fenomeno che lega tra loro due o più particelle, in modo che il loro stato dipenda da quello delle altre, anche se sono separate da grandi distanze. Questa proprietà, che sfugge alla logica della fisica classica, è alla base di possibili applicazioni nel campo dell’informatica e della comunicazione quantistica.
I quark top sono particelle molto instabili, che decadono in pochissimo tempo dopo essere stati prodotti nelle collisioni protone-protone all’interno dell’acceleratore LHC (Large Hadron Collider), ed alcuni di questi quark si formano in coppie che risultano entangled, cioè correlate tra loro. Gli scienziati di ATLAS hanno studiato queste coppie, analizzando i dati raccolti tra il 2015 e il 2018, ed hanno osservato i prodotti di decadimento dei quark top oltre ad aver verificato che il loro comportamento era influenzato dallo stato del quark partner.
Il team è riuscito a misurare un grado di entanglement che non potrebbe essere spiegato se i quark non fossero legati, con una precisione che supera lo standard aureo per la fisica delle particelle. Il risultato è stato presentato alla conferenza ATLAS il 28 settembre e pubblicato su arXiv e si tratta della prima volta che l’entanglement quantistico viene misurato a un’energia così alta, 12 ordini di grandezza (un trilione di volte) superiore rispetto agli esperimenti di entanglement standard.
Come mai l’entanglement quantistico dei quark top è così importante?
La misura dell’entanglement quantistico dei quark top ha importanti implicazioni per la comprensione della natura delle particelle elementari e delle loro interazioni. I quark top sono infatti particelle fondamentali, come i cugini più leggeri quark up e down che costituiscono i protoni e i neutroni, tuttavia i quark top hanno una massa enorme, pari a quella di una molecola di caffeina.
Questa massa li rende sensibili all’effetto del bosone di Higgs, la particella responsabile della generazione della massa delle altre particelle, non di meno i quark top potrebbero essere collegati a fenomeni di “nuova fisica” oltre il modello standard, come la supersimmetria o le dimensioni extra.
L’esperimento ATLAS è uno dei quattro esperimenti principali al LHC, l’acceleratore di particelle più potente al mondo. ATLAS è stato progettato per studiare tutti gli aspetti della fisica delle collisioni protone-protone alle più alte energie disponibili, ed ha iniziato la presa dati nel 2009 e nei due periodi di attività finora effettuati ha ottenuto risultati fisici notevoli, tra cui la scoperta del bosone di Higgs nel 2012. Un nuovo periodo di presa dati è iniziato nel 2022 per aumentare la statistica dei processi rari e raggiungere limiti più stringenti sulla produzione di particelle non previste dal modello standard.
L’esperimento ATLAS è finanziato in Italia dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) e vede la partecipazione di oltre 3000 ricercatori provenienti da 38 paesi, tra questi ci sono anche numerosi fisici italiani, che hanno contribuito alla progettazione, alla costruzione e all’analisi dei dati del rivelatore ATLAS.
Il rivelatore ha una forma cilindrica, è lungo 44 metri, ha un diametro di 25 metri e pesa circa 7000 tonnellate. È composto da diversi strati di rivelatori, che permettono di identificare e misurare le proprietà delle particelle prodotte nelle collisioni, in aggiunta è dotato anche di un potente sistema di magneti, che deviano le traiettorie delle particelle cariche e ne determinano la carica e il momento.
L’esperimento ATLAS è uno dei più grandi e complessi esperimenti scientifici mai realizzati, rappresenta una sfida tecnologica e intellettuale senza precedenti, che richiede la collaborazione di migliaia di persone con competenze diverse. L’esperimento ATLAS è anche una fonte di scoperte e di conoscenza, che ci permette di esplorare i segreti dell’universo e di ampliare i nostri orizzonti.
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