Protones y entrelazamiento cuántico: Un estudio fascinante

El entrelazamiento cuántico es una propiedad fascinante y contraintuitiva de la mecánica cuántica. Se trata de una característica en la que las partículas mantienen correlaciones no locales independientemente de la distancia. Un grupo de investigadores han dado un paso más al enfocar la «mirada» al interior de los protones, para estudiar cómo los elusivos quarks y gluones se entrelazan para formar una estructura interna compleja.

En este contexto, un reciente estudio liderado por Hentschinski, Kharzeev, Kutak y Tu presenta un nuevo modelo para estudiar la entropía de entrelazamiento en reacciones de dispersión inelástica profunda (DIS, por sus siglas en inglés). Este trabajo propone cómo esta entropía, calculada mediante ecuaciones de evolución de la cromodinámica cuántica (QCD), se relaciona con los datos experimentales. Con ello se arrojan nuevos detalles sobre la estructura no perturbativa de los protones y su comportamiento bajo energías extremas​.

Entrelazamiento y cromodinámica cuántica

El concepto de entropía de entrelazamiento mide el grado de correlación cuántica entre las partes de un sistema. Es decir, cuantifica cómo la información de una parte del sistema está intrínsecamente conectada con la de otra, incluso si están separadas. En términos simples, mide cuánta información compartida existe entre las partes debido a las propiedades cuánticas del sistema. En el caso de los protones, las «partes» son los quarks y gluones, constituyentes fundamentales responsables de las interacciones nucleares fuertes. Un hallazgo clave del estudio es que, durante una interacción de alta energía entre un protón y un fotón virtual, el estado puro del protón cambia a un estado mixto. Este cambio ocurre porque la interacción provoca una pérdida parcial de información sobre la configuración interna del protón, reflejando la complejidad de sus componentes cuánticos.

Este cambio se representa matemáticamente mediante la entropía de von Neumann, que cuantifica la pérdida de información al observar solo una parte del sistema. Según los autores, la entropía resultante es una medida directa del entrelazamiento entre las configuraciones internas de los quarks y gluones, lo que nos muestra que las correlaciones cuánticas son esenciales para entender la estructura del protón​.

Evolución de la entropía con la energía

Uno de los puntos fuertes del estudio es la observación de cómo la entropía de entrelazamiento cambia con la energía del sistema. Utilizando modelos basados en las ecuaciones de evolución de QCD, los autores muestran que la entropía crece de manera lineal con la rapidez (una medida relacionada con la energía del sistema). Este comportamiento refleja una transición hacia un estado de entrelazamiento máximo, donde las partículas internas alcanzan un estado cuántico colectivo.

El modelo también predice que la distribución de multiplicidad de los hadrones en el estado final refleja la distribución de ocupación de los partones (quarks y gluones) en el interior del protón. Este hallazgo, que los autores denominan una forma fuerte de dualidad partón-hadrón, ha sido confirmado con datos experimentales de los aceleradores de partículas​.

La dualidad partón-hadrón: un puente entre partículas fundamentales y estados finales

Un partón es cualquiera de los constituyentes fundamentales de los hadrones, como los quarks y los gluones, que interactúan mediante la fuerza nuclear fuerte. Dentro de un protón, los partones están confinados en un espacio extremadamente pequeño, pero su dinámica y correlaciones internas determinan las propiedades del protón en su conjunto.

La dualidad partón-hadrón es un concepto fundamental en la física de partículas que conecta el comportamiento de los quarks y gluones (partones) con los hadrones observados experimentalmente en las colisiones de alta energía. Esta idea sugiere que las propiedades de los hadrones en el estado final de una reacción pueden entenderse a partir de las interacciones de los partones en el estado inicial.

En el contexto del entrelazamiento cuántico, la dualidad adquiere una interpretación más profunda. El estudio sugiere que la entropía de entrelazamiento de los partones se refleja directamente en la entropía de los hadrones producidos en el estado final. Esto implica que las distribuciones de multiplicidad de hadrones observadas en experimentos, como las realizadas en HERA, están íntimamente ligadas a la ocupación de los partones dentro del protón. Este vínculo es crucial porque permite estudiar propiedades internas de los protones mediante observables experimentales accesibles.

Datos experimentales y comparación con el modelo

Los datos experimentales utilizados en el estudio provienen de los detectores HERA en el experimento H1, donde se analizaron dos tipos de entropías hadrónicas. Una fue medida en un intervalo de rapidez fijo, que abarca una región específica del espacio donde se producen partículas. La otra fue registrada en una ventana móvil, que sigue la trayectoria del quark líder (la partícula que lleva la mayor fracción de energía del protón tras la colisión). Ambos conjuntos de datos proporcionan información complementaria sobre cómo se desarrolla la entropía en diferentes configuraciones experimentales.

El ajuste del modelo a los datos muestra una excelente concordancia, por tanto, valida la hipótesis de que la entropía de entrelazamiento calculada con QCD es consistente con las observaciones experimentales. Este enfoque confirma la robustez del modelo y abre la puerta a futuras aplicaciones, como el estudio del entrelazamiento en chorros de partículas y en sistemas nucleares más complejos​.

Implicaciones y futuras aplicaciones

La incorporación del entrelazamiento cuántico en la cromodinámica cuántica ofrece una nueva perspectiva para estudiar fenómenos no perturbativos como la confinación del color, una propiedad fundamental que mantiene a los quarks y gluones dentro de los hadrones. Además, esta metodología puede aplicarse para entender cómo las interacciones entre hadrones evolucionan en ambientes extremos, como los experimentos con colisiones de iones pesados.

Futuras investigaciones podrían extender el modelo para investigar cómo se manifiesta el entrelazamiento en otros procesos, como la fragmentación de chorros y la formación de estados hadrónicos en colisiones nucleares. También podría investigarse cómo las distribuciones partónicas cambian al considerar la estructura nuclear, ampliando nuestra comprensión del comportamiento colectivo de los nucleones en núcleos densos​.

Referencias

• Hentschinski, M., Kharzeev, D. E., Kutak, K., & Tu, Z. (2024). QCD evolution of entanglement entropy. Physical Review Letters, 131(24), 241901. DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.241901