Quando um fóton de alta energia atinge um próton, as partículas secundárias divergem de uma forma que indica que o interior do próton está emaranhado ao máximo. Uma equipa internacional de físicos com a participação do Instituto de Física Nuclear da Academia Polaca de Ciências de Cracóvia acaba de demonstrar que o emaranhamento máximo está presente no protão mesmo nos casos em que pomerons estão envolvidos nas colisões.



Há dezoito meses, foi demonstrado que diferentes partes do interior do próton devem estar emaranhadas entre si ao máximo. Este resultado, alcançado com a participação do Prof. Krzysztof Kutak do Instituto de Física Nuclear da Academia Polonesa de Ciências (IFJ PAN) em Cracóvia e do Prof. e observações de colisões de fótons de alta energia com quarks e glúons em prótons e apoiaram a hipótese apresentada alguns anos antes pelos professores Dimitri Kharzeev e Eugene Levin.

Agora, em artigo publicado na revista Physical Review Letters , uma equipe internacional de físicos apresentou uma análise complementar de emaranhamento para colisões entre fótons e prótons nas quais partículas secundárias (hádrons) são produzidas por um processo denominado espalhamento inelástico profundo difrativo. A questão principal era:o emaranhamento também ocorre entre quarks e glúons nestes casos e, em caso afirmativo, é também máximo?

Colocando em termos simples, os físicos falam de emaranhamento entre vários objetos quânticos quando os valores de alguma característica desses objetos estão relacionados. O emaranhamento quântico não é observado no mundo clássico, mas sua essência é facilmente explicada pelo lançamento de duas moedas. Cada moeda tem dois lados e, quando cai, pode assumir um de dois valores mutuamente exclusivos (cara ou coroa) com a mesma probabilidade.

Estaríamos lidando com o análogo do emaranhamento quântico se, ao lançarmos duas moedas simultaneamente, obtivéssemos sempre apenas dois resultados diferentes (cara e coroa) ou dois resultados idênticos (duas caras ou duas coroas). Aqui, o emaranhamento seria máximo porque nenhum valor seria favorecido – a probabilidade de uma moeda estar no estado de cara ou coroa ainda seria de 50%. Se o emaranhamento não fosse máximo, a situação seria diferente.

Nem sempre observaríamos as mesmas duas combinações, mas às vezes também a outra.

"Na física nuclear, a existência de um estado de emaranhamento máximo pode ser vista em dados experimentais quando olhamos para ele; sabemos disso... não sabemos nada. Em certas colisões de um elétron com um próton, chamadas de espalhamento inelástico profundo, o próton se rompe completamente, e muitas partículas sujeitas a interações fortes – os chamados hádrons – são produzidas. Estamos então lidando com um estado de emaranhamento máximo do próton sempre que não podemos prever quantos hádrons serão criados em uma determinada colisão”, diz o professor. Kutak explica.

Estudos anteriores sobre o emaranhamento máximo do interior do próton abordaram o caso acima mencionado, onde os hádrons foram produzidos no espalhamento inelástico profundo de um elétron e um próton. Tais reações são fáceis de detectar em experimentos porque resultam em partículas secundárias divergindo em praticamente todas as direções (ou seja, aquelas que envolvem a direção primária do movimento dos prótons).

"Sabe-se, porém, que aproximadamente a cada décima colisão ocorre de maneira diferente:atrás do ponto de colisão, em certos intervalos angulares, nenhuma partícula é vista. São precisamente esses processos que chamamos de difração ou produção exclusiva, e eles estão no centro de nossa pesquisa atual sobre emaranhamento quântico", acrescenta o Prof. Kutak.

A produção no processo inelástico profundo resulta da interação de um fóton com pártons (quarks e glúons) em um próton. No caso da produção difrativa, o fóton também interage com um párton no próton, mas que faz parte de uma estrutura maior chamada pomeron.

A característica quântica mais importante dos glúons é a sua cor (que não tem nada a ver com a cor como a conhecemos na vida cotidiana, exceto o nome). Partículas secundárias, observadas em detectores como efeito de colisões, são o resultado de processos nos quais quarks e glúons em um próton trocam sua carga de cor. No entanto, os glúons podem formar estados ligados chamados pomerons, onde a cor é mutuamente neutralizada.

Quando, durante uma colisão entre um fóton e um párton, se descobrir que o párton fazia parte de um pomeron, a colisão não produzirá hádrons divergindo em toda a faixa angular coberta pelos detectores. Em vez disso, alguns dos detectores, teoricamente capazes de ver as partículas produzidas durante a fase de colisão em questão, permanecerão silenciosos.

A equipe internacional de físicos conseguiu mostrar que durante colisões envolvendo pomerons, também é criado um estado dentro do próton no qual todas as partículas estão emaranhadas ao máximo. No entanto, é aparente uma diferença em relação aos casos analisados ​​anteriormente:quando pomerons estão envolvidos, o emaranhamento máximo aparece em energia ligeiramente superior.

A presente pesquisa complementa nosso conhecimento prévio sobre o curso dos eventos durante colisões entre fótons e prótons. Graças a isso, pode-se dizer agora que o emaranhamento máximo é um fenômeno universal nesses processos, presente em ambos os mecanismos de produção de partículas secundárias que conhecemos.

"Nosso resultado não tem apenas significado teórico, mas também prático. Na verdade, uma compreensão mais profunda de como um estado maximamente emaranhado é formado dentro do próton permitirá uma melhor interpretação dos resultados de futuros colisores de partículas, como o Colisor de Elétron-Íon, " conclui o Prof.

Mais informações: Martin Hentschinski et al, Sondando o início do emaranhamento máximo dentro do próton na dispersão inelástica profunda difrativa, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.241901
Informações do diário: Cartas de revisão física

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