First determination of the full spin density matrix in
Utilizando um grande conjunto de dados de eventos coletados pelo detector BESIII, este estudo apresenta a primeira determinação completa da matriz de densidade de spin em , revelando uma polarização transversal significativa do hiperon e fornecendo evidências de emaranhamento quântico através da violação da desigualdade de Bell de CHSH.
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No mundo subatômico, as partículas não são apenas pequenas bolas de bilhar; elas carregam uma propriedade oculta chamada "spin", que atua como uma agulha de bússola integrada apontando em uma direção específica. Quando essas partículas são criadas em colisões de alta energia, seus spins podem se tornar ligados de uma forma que desafia nossa intuição cotidiana, um fenômeno conhecido como emaranhamento quântico. Essa conexão significa que medir o spin de uma partícula revela instantaneamente o estado de sua parceira, não importa o quão distantes estejam uma da outra. Cientistas estudam esse comportamento há muito tempo com partículas de luz e átomos, mas observar isso em partículas mais pesadas e complexas, feitas de quarks, tem sido um desafio significativo. Compreender como essas partículas massivas nascem e como seus spins interagem oferece um vislumbre raro das forças fundamentais que mantêm a matéria unida e testa os limites do funcionamento do universo.
Uma equipe de pesquisadores utilizando o detector BESIII em um acelerador de partículas na China deu agora um grande passo adiante ao capturar uma imagem completa deste comportamento em um tipo específico de decaimento de partícula. Eles analisaram centenas de milhões de eventos onde uma partícula pesada chamada se fragmentou para formar um par de partículas mais leves: um bárion lambda e seu gêmeo de antimatéria, o anti-lambda. Ao rastrear os caminhos dos detritos deixados quando essas partículas decaíram, os cientistas foram capazes de reconstruir a "matriz de densidade de spin" completa. Isso é, essencialmente, um mapa detalhado que descreve não apenas como as partículas estavam girando quando foram criadas, mas também como seus spins estavam correlacionados entre si. É a primeira vez que uma descrição tão completa é alcançada para esta reação específica, fornecendo uma visão unificada tanto da mecânica de sua criação quanto da natureza quântica de sua conexão.
O estudo baseou-se em um conjunto massivo de dados contendo 448,1 milhões desses eventos de partículas. Os pesquisadores focaram nos ângulos nos quais os produtos de decaimento voaram, utilizando uma análise sofisticada de cinco dimensões para extrair dois números fundamentais que descrevem o processo de produção. Eles descobriram que o parâmetro de distribuição angular, que dita como as partículas são espalhadas, é de 0,82. Mais importante ainda, eles mediram uma diferença de fase relativa entre as propriedades elétricas e magnéticas da interação como sendo de 20,6 graus. Esta fase não nula implica um tipo específico de movimento: sugere que as partículas lambda não estão apenas girando aleatoriamente, mas estão de fato polarizadas lateralmente, movendo-se com um valor máximo de spin lateral de 0,074. Esta polarização lateral foi detectada com uma certeza estatística de 6,3 desvios padrão, o que significa que a chance de este resultado ser um acaso estatístico é virtualmente zero.
Além de simplesmente medir como as partículas giram, este mapa completo permitiu à equipe testar as famosas desigualdades de Bell, que são limites matemáticos que separam o mundo previsível da física clássica do estranho mundo da mecânica quântica. Se as partículas se comportassem de acordo com as regras clássicas, suas correlações permaneceriam abaixo de um certo limite. No entanto, os pesquisadores calcularam um valor médio para a medida de não localidade de Bell de 1,266, que excede claramente o limite clássico. Esta violação da desigualdade de Clauser-Horne-Shimony-Holt foi observada com uma significância de 3,7 desvios padrão, fornecendo evidências fortes de que esses bárions pesados estão, de fato, emaranhados de uma forma que não pode ser explicada pela física clássica. Os resultados confirmam que o elo quântico entre a partícula e sua antipartícula sobrevive ao processo violento de sua criação e decaimento.
As descobertas também lançam luz sobre o porquê de diferentes tipos de partículas semelhantes se comportarem de maneira distinta. Enquanto a partícula lambda mostra um padrão de spin positivo neste decaimento, uma partícula semelhante, a sigma-zero, mostra um padrão negativo em outros experimentos. Os pesquisadores sugerem que essa diferença surge do arranjo interno dos quarks dentro delas, especificamente como os quarks se agrupam. Ao comparar seus novos resultados com medições anteriores de outros decaimentos de partículas, a equipe extraiu detalhes sobre as forças em jogo, como a razão entre diferentes interações de onda e o tamanho efetivo da região de interação. Essas medições ajudam a refinar nossa compreensão da força nuclear forte e da estrutura interna da matéria, transformando o decaimento do em um laboratório único para estudar a conexão profunda entre como as partículas são feitas e como elas permanecem quânticamente ligadas.
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