In un recentissimo articolo pubblicato su Reports on Progress in Physics, un gruppo di ricercatori ha dimostrato l’esistenza di un entanglement quantistico tra quark e gluoni all’interno dei protoni. Questo risultato è stato ottenuto studiando, con un metodo innovativo, le collisioni di particelle ad alta energia. Gli scienziati hanno osservato per la prima volta come le particelle fondamentali costituenti del protone – quark e gluoni – siano intimamente correlate attraverso il fenomeno dell’entanglement quantistico a una scala incredibilmente piccola: un quadrilionesimo di metro (il femtometro).
Cos’è l’entanglement quantistico?
L’entanglement quantistico è uno dei fenomeni più affascinanti e discussi della fisica moderna, in particolare della meccanica quantistica. Si verifica quando due particelle diventano interconnesse in modo tale che lo stato di una è intimamente legato a quello dell’altra, indipendentemente dalla distanza che le separa. Questa connessione può nascere (ad esempio) quando le particelle sono nate insieme oppure perché hanno interagito in precedenza.
Albert Einstein descrisse questo fenomeno come “azione spettrale a distanza” (spooky action at a distance), in quanto sembrava sfidare il limite della velocità della luce. L’entanglement quantistico, verificato sperimentalmente in numerosi esperimenti con tecnologie diverse, è alla base di molte applicazioni della meccanica quantistica, le cosiddette tecnologie quantistiche, dalla crittografia quantistica alla computer e computazione quantistiche.
L’entanglement quantistico all’interno del protone
Il protone spesso viene descritto come costituito da tre quark di valenza (due “up” e uno “down”) e da un “mare” di quark, antiquark e gluoni, uniti attraverso l’interazione nucleare forte. Nonostante sia una delle particelle più studiate, la struttura interna del protone è ancora oggetto di intense ricerche e affascinanti studi.
In questo contesto, il risultato di un nuovo studio, durato sei anni, suggerisce che quark e gluoni all’interno del protone siano correlati attraverso il fenomeno dell’entanglement quantistico. Il team ha analizzato i dati delle collisioni di particelle ad alta energia, utilizzando la scienza dell’informazione quantistica per indagare come l’entanglement (eventualmente) influenzi la struttura interna del protone. I ricercatori hanno osservato segnali di entanglement utilizzando l’entropia, ossia il grado di disordine, nei sistemi di particelle generate durante le collisioni.
Entropia (quantistica): un nuovo approccio alle collisioni
L’entropia è spesso interpretata come una misura del disordine di un sistema. Ad esempio, un ufficio con libri e oggetti sparsi ovunque (come il mio) avrà un’entropia maggiore rispetto a un ufficio ordinato, dove tutto è al suo posto. Nella scienza, il concetto di entropia si applica in diversi ambiti, dalla fisica alla termodinamica e persino all’informazione. In fisica, ad esempio, l’entropia si può vedere come il grado di disordine nelle configurazioni delle particelle che compongono un sistema. Un sistema con alta entropia ha molte possibili configurazioni, mentre uno con bassa entropia è più prevedibile e ordinato.
L’entropia è un parametro fondamentale per comprendere i processi irreversibili e l’evoluzione dei sistemi verso l’equilibrio termodinamico. Si può dire che l’entropia ci aiuta a capire quanto un sistema sia lontano dallo stato di equilibrio ed è un indicatore dell’evoluzione del sistema nel tempo.
In parole semplici, l’entropia aiuta a capire come l’energia, l’informazione o le particelle si distribuiscono e si organizzano in natura. È un concetto chiave per spiegare fenomeni complessi, dal funzionamento dell’universo ai processi biologici e alle tecnologie moderne.
Ebbene, applicando questo concetto (entanglement entropy) ai dati sperimentali, il gruppo dei ricercatori ha confrontato i risultati delle collisioni protone-protone raccolti al Large Hadron Collider (LHC) con quelli delle collisioni elettrone-protone eseguite presso il Hadron-Electron Ring Accelerator (HERA). I dati di HERA, raccolti tra il 1992 e il 2007, hanno fornito risultati più “puliti”, che hanno permesso di identificare segnali di entanglement. L’analisi ha dimostrato che quark e gluoni all’interno del protone sono entangled in modo massimale, con i calcoli teorici perfettamente in linea con i dati sperimentali. I risultati sono stati pubblicati nell’articolo QCD evolution of entanglement entropy del 2024 [1].
L’entanglement massimale
Dmitri Kharzeev, teorico presso il Brookhaven Lab e co-autore dello studio, sottolinea che [2]:
“L’entanglement non si verifica solo tra due particelle, ma tra tutte le particelle. L’entanglement massimale all’interno di un protone emerge dalle interazioni forti che generano un gran numero di coppie quark-antiquark e gluoni”.
Questo risultato rappresenta un importante passo avanti nella comprensione della struttura interna del protone e aiuta a esplorare questioni fondamentali della fisica nucleare. Tra queste, una molto interessante ha a che vedere con il come l’ambiente nucleare denso possa influenzare l’entanglement all’interno di un protone e se questo venga distrutto dalla decoerenza quantistica.
Il futuro dello studio dell’entanglement nei nuclei
Il prossimo passo sarà studiare ulteriormente e in modo più dettagliato le collisioni tra elettroni e protoni (e nuclei) presso l’Electron-Ion Collider (EIC) del Brookhaven National Laboratory, che dovrebbe iniziare le operazioni nel 2030. Questo acceleratore permetterà di analizzare come l’entanglement cambia in nuclei densi rispetto ai protoni isolati.
Questa scoperta straordinaria dimostra come la fisica quantistica (e anche quella nucleare) continui a sorprenderci, anche nello studio di una particella così fondamentale come il protone.
Nel 2025, proclamato l’Anno Internazionale della Scienza e Tecnologia Quantistica, questo campo di ricerca promette di svelare ulteriori segreti delle forze fondamentali che governano l’universo. Molto affascinante!
Catalina Curceanu
Per approfondire:
- [1] https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6633/ad910b
- [2] https://www.space.com/spooky-action-small-distance-entanglement-quarks-gluons