Fragmentos do interior de um próton foram mostrados por cientistas do México e da Polônia para exibir o máximo emaranhamento quântico.

Se um fóton carrega muito pouca energia, ele não cabe dentro de um próton (esquerda). Um fóton com energia suficientemente alta é tão pequeno que voa para o interior de um próton, onde 'vê' parte do próton (à direita). O emaranhamento máximo torna-se então visível entre as áreas 'vista' e 'não vista'. Crédito da imagem: IFJ PAN

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A descoberta, já confrontada com dados experimentais, permite supor que em alguns aspectos a física do interior de um próton pode ter muito em comum, não apenas com fenômenos termodinâmicos conhecidos, mas até mesmo com a física de… buracos negros.

Vários fragmentos do interior de um próton devem estar emaranhados ao máximo uns com os outros, caso contrário as previsões teóricas não concordariam com os dados coletados em experimentos, como foi mostrado no European Physical Journal C. O modelo teórico (que estende a proposta original dos físicos Dimitri Kharzeev e Eugene Levin) permite supor que, ao contrário da opinião corrente, a física que opera dentro dos prótons pode estar relacionada a conceitos como entropia ou temperatura, que por sua vez podem relacioná-la a objetos exóticos como buracos negros. Os autores da descoberta são o Dr. Martin Hentschinski da Universidad de las Americas Puebla no México e o Dr. Krzysztof Kutak do Instituto de Física Nuclear da Academia Polonesa de Ciências (IFJ PAN) em Cracóvia, Polônia.

Os teóricos Polonês-Mexicano analisaram a situação em que os elétrons são disparados contra os prótons. Quando um elétron que chega carregando uma carga elétrica negativa se aproxima de um próton carregado positivamente, ele interage com ele eletromagneticamente e desvia seu caminho. A interação eletromagnética significa que um fóton foi trocado entre o elétron e o próton. Quanto mais forte a interação, maior a mudança no momento do fóton e, portanto, menor a onda eletromagnética associada.

“Se um fóton é 'curto' o suficiente para 'ajustar' dentro de um próton, ele começa a 'decidir' detalhes de sua estrutura interna. O resultado da interação com esse tipo de fóton pode ser o decaimento do próton em partículas. Mostramos que há um emaranhamento entre as duas situações. Se a observação do fóton da parte interior do próton leva ao seu decaimento em um número de partículas, digamos três, então o número de partículas originadas da parte não observada do próton é determinado pelo número de partículas vistas na parte observada do próton”, explica o Dr. Kutak.

Podemos falar de emaranhamento quântico de vários objetos quânticos, se certas características dos objetos estiverem relacionadas entre si de uma maneira particular. A analogia clássica do fenômeno pode ser representada pelo lançamento de uma moeda. Vamos supor que um objeto é um lado da moeda e o outro objeto é o outro lado. Quando jogamos uma moeda, há a mesma probabilidade de que a moeda dê cara ou coroa virada para cima. Se cair cara, sabemos com certeza que o outro lado é coroa. Podemos então falar de emaranhamento máximo, pois a probabilidade que determina o valor da característica de um objeto não favorece nenhum valor possível: Temos 50% de chance de cara e o mesmo de coroa. Um emaranhamento menor que o máximo ocorre quando a probabilidade começa a favorecer um dos resultados possíveis em maior ou menor grau.

“Nosso estudo mostra que o interior de um próton visto por um fóton que passa, deve estar emaranhado com a parte invisível exatamente dessa maneira máxima, como sugerido por Kharzeev e Levin. Na prática, isso significa que não temos chance de prever se, devido à interação com o fóton, o próton decairá em três, quatro ou qualquer outro número de partículas”, explica o Dr. Hentschinski.

As novas previsões teóricas já foram verificadas. Se o emaranhamento dentro do próton não fosse máximo, haveria discrepâncias entre os cálculos teóricos e os resultados do experimento H1 no acelerador HERA no centro DESY em Hamburgo, onde pósitrons (ou seja, antipartículas dos elétrons) colidiram com prótons até 2007. Tais discrepâncias não foram observadas.

O sucesso Polonês-Mexicano deve-se ao fato de que os pesquisadores conseguiram identificar corretamente os fatores responsáveis pelo emaranhamento máximo do interior do próton.

Na visão ingênua do livro escolar, o próton é um sistema de três partículas elementares: Dois quarks up e um quark down. No entanto, as fortes interações entre esses quarks, transportadas por glúons, podem ser tão fortes que levam à criação de pares virtuais, partícula-antipartícula. Elas podem ser não apenas pares de glúons virtuais (que são suas próprias antipartículas), mas também pares compostos de qualquer quark e sua antipartícula correspondente (mesmo uma tão massiva quanto charm). Tudo isso significa que dentro do próton, além de três quarks de valência, há mares constantemente 'fervendo' de glúons virtuais e quarks e antiquarks virtuais.

“Em publicações anteriores, os físicos que lidavam com o procedimento supunham que a fonte do emaranhamento deveria ser um mar de glúons. Mais tarde, foram feitas tentativas para mostrar que quarks e antiquarks são a fonte dominante de emaranhamento, mas mesmo aqui os métodos de descrição propostos não resistiram ao teste do tempo. Enquanto isso, de acordo com nosso modelo, verificado por confronto com dados experimentais, o mar de glúons virtuais é responsável por cerca de 80% do emaranhamento, enquanto o mar de quarks e antiquarks virtuais é responsável pelos 20% restantes”, enfatiza Dr. Kutak.

Mais recentemente, os físicos quânticos associaram a entropia ao estado dentro de um próton. Esta é uma quantidade bem conhecida da termodinâmica clássica, onde é usada para medir o grau de movimento desordenado de partículas em um sistema analisado. Supõe-se que quando um sistema está desordenado, ele tem alta entropia, enquanto um sistema ordenado tem baixa entropia. Recentemente, foi demonstrado que, no caso do próton, podemos falar com sucesso sobre entropia de emaranhamento. No entanto, muitos físicos consideraram o próton como um estado quântico puro no qual não se deve falar de entropia. A consistência do modelo mexicano-polonês com o experimento é um forte argumento para o fato de que o conceito de emaranhamento dentro do próton proposto por Kharzeev e Levin tem razão. Por último, mas não menos importante,

Mais informações:

“Evidence for the maximally entangled low x proton in Deep Inelastic Scattering from H1 data” por Martin Hentschinski e Krzysztof Kutak, 4 de fevereiro de 2022, The European Physical Journal C. DOI: 10.1140/epjc/s10052-022-10056-y

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Referência:

Interior of Protons Exhibit Maximum Quantum Entanglement – May Share Common Physics With Black Holes. Nome do jornal, 25, mar. 2022. Disponível em: <https://scitechdaily.com/interior-of-protons-exhibit-maximum-quantum-entanglement-may-share-common-physics-with-black-holes/>. Acesso em: 28, mar. 2022.