'Ação fantasmagórica' de Einstein resiste a teste extremo no maior acelerador do mundo

Um fenômeno da física quântica que Albert Einstein chamou de "ação fantasmagórica à distância" foi observado em algumas das partículas mais pesadas e de vida mais curta já produzidas. O experimento encontrou fortes evidências de emaranhamento quântico entre pares de bósons Z gerados no Grande Colisor de Hádrons (LHC), do CERN.

O resultado mostra que o fenômeno pode ocorrer mesmo nas condições extremas das colisões de partículas de alta energia. O trabalho contou com pesquisadores da Universidade de Oxford e foi publicado na revista científica Physical Review Letters.

Os bósons Z analisados surgiram durante o decaimento do bóson de Higgs, partícula descoberta no LHC em 2012. Embora existam por apenas uma pequena fração de segundo, eles deixaram sinais que permitiram aos cientistas investigar suas propriedades quânticas.

O que é a 'ação fantasmagórica' de Einstein

A expressão usada por Einstein se refere ao emaranhamento quântico, fenômeno no qual duas partículas compartilham propriedades de maneira tão relacionada que a medição de uma permite obter informações sobre a outra, mesmo quando estão separadas.

O comportamento contraria a forma como os fenômenos costumam ser percebidos no mundo cotidiano e se tornou uma das características mais conhecidas da mecânica quântica.

O emaranhamento já havia sido observado em sistemas formados por fótons, elétrons e íons aprisionados. Também é importante para tecnologias em desenvolvimento, como computadores quânticos, redes de comunicação quântica e sensores.

Uma questão ainda investigada pelos físicos era se esse comportamento poderia aparecer também em condições muito mais extremas, como as colisões de partículas realizadas no CERN.

Bóson de Higgs permitiu testar o fenômeno

Para investigar essa possibilidade, os pesquisadores utilizaram dados do experimento ATLAS, um dos grandes detectores instalados no LHC, próximo a Genebra, na Suíça. No acelerador, prótons que viajam a 99,99% da velocidade da luz colidem em energias que chegam a 13 trilhões de elétron-volts.

Entre as partículas produzidas nessas colisões está o bóson de Higgs. Ele pode decair em dois bósons Z, partículas massivas que desaparecem quase imediatamente e, por sua vez, podem dar origem a pares de elétrons ou múons.

Os pesquisadores usaram justamente essas partículas resultantes para procurar sinais deixados pelos bósons Z.

Como cientistas detectaram o emaranhamento

Como os bósons Z têm vida extremamente curta, os cientistas não conseguem acompanhá-los por muito tempo depois de sua formação. O detector ATLAS, porém, consegue medir os elétrons e múons produzidos quando eles decaem.

A equipe analisou os ângulos em que elétrons e múons emergiram e utilizou essas informações para reconstruir o spin dos bósons Z originais. O spin é uma propriedade quântica das partículas.

A partir desses dados, os pesquisadores verificaram se os dois bósons apresentavam as correlações esperadas quando existe emaranhamento quântico.

As medições forneceram fortes evidências da presença do fenômeno. Segundo os pesquisadores, o resultado está entre as confirmações de emaranhamento realizadas nas maiores energias já alcançadas.

Fenômeno resistiu a condições extremas

A descoberta amplia os ambientes nos quais o emaranhamento quântico pode ser investigado. Em vez dos sistemas tradicionalmente estudados em experimentos quânticos, os cientistas observaram o fenômeno em partículas pesadas, extremamente instáveis e produzidas em colisões de alta energia.

O físico Alan Barr, da Universidade de Oxford e coautor do estudo, está entre os pesquisadores que propuseram usar aceleradores de partículas para investigar o emaranhamento nessas condições. Uma abordagem semelhante já havia sido usada pelo experimento ATLAS em 2023 para demonstrar o emaranhamento entre pares de quarks top, considerados as partículas elementares mais pesadas conhecidas.

Agora, os resultados com bósons Z acrescentam outra forma de estudar fenômenos quânticos nas condições produzidas pelo LHC.

Física quântica pode ajudar a buscar novos fenômenos

O trabalho também integra uma tentativa de aproximar conceitos da ciência da informação quântica da física de partículas de alta energia. A aplicação dessas ferramentas aos grandes volumes de dados produzidos nos aceleradores pode permitir a identificação de padrões mais sutis nas colisões.

Segundo os pesquisadores, essas técnicas podem aumentar a sensibilidade de futuras buscas por fenômenos que não sejam explicados pela compreensão atual da física.

Essa investigação deve ganhar mais dados com a modernização do detector ATLAS e com o Grande Colisor de Hádrons de Alta Luminosidade (HL-LHC). As melhorias devem ampliar a quantidade de colisões disponíveis para análise e abrir novas oportunidades para testar o comportamento quântico em energias extremas.