1Departamento de Física Experimental, CERN, 1211 Ginebra, Suiza
2Departamento de Física de Materiales, Universidad Complutense de Madrid, E-28040 Madrid, España
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Resumen
Los top quarks representan sistemas únicos de alta energía, ya que se pueden medir sus correlaciones de espín, lo que permite estudiar aspectos fundamentales de la mecánica cuántica con qubits en colisionadores de alta energía. Aquí presentamos el marco general del estado cuántico de un par de quarks top-antitop ($tbar{t}$) producido mediante cromodinámica cuántica (QCD) en un colisionador de alta energía. Argumentamos que, en general, el estado cuántico total que puede probarse en un colisionador se da en términos de la matriz de densidad de espín de producción, lo que necesariamente da lugar a un estado mixto. Calculamos el estado cuántico de un par $tbar{t}$ producido a partir de los procesos QCD más elementales, encontrando la presencia de entrelazamiento y violación de CHSH en diferentes regiones del espacio de fase. Mostramos que cualquier producción hadrónica realista de un par $tbar{t}$ es una mezcla estadística de estos procesos QCD elementales. Nos centramos en los casos experimentalmente relevantes de colisiones protón-protón y protón-antiprotón, realizados en el LHC y el Tevatron, analizando la dependencia del estado cuántico con la energía de las colisiones. Proporcionamos observables experimentales para firmas de enredos y violaciones de CHSH. En el LHC, estas firmas vienen dadas por la medición de un solo observable, que en el caso de entrelazamiento representa la violación de una desigualdad de Cauchy-Schwarz. Extendemos la validez del protocolo de tomografía cuántica para el par $tbar{t}$ propuesto en la literatura a estados cuánticos más generales, y para cualquier mecanismo de producción. Finalmente, argumentamos que una violación de CHSH medida en un colisionador es solo una forma débil de violación del teorema de Bell, que necesariamente contiene una serie de lagunas.
Resumen popular
Aquí presentamos el formalismo general del estado cuántico de un par $tbar{t}$, una realización única de alta energía de un estado de dos qubits. Sorprendentemente, una vez que las matrices de probabilidad y densidad de cada proceso de producción de $tbar{t}$ se calculan mediante la teoría de alta energía, simplemente nos queda un problema típico en la información cuántica que involucra la mezcla estadística de estados cuánticos de dos qubits. Esta importante observación motiva la presentación pedagógica del artículo, íntegramente desarrollado dentro de un enfoque de información cuántica genuina, con el objetivo de hacerlo fácilmente comprensible para la comunidad de física general.
Discutimos el estudio experimental de conceptos de información cuántica como entrelazamiento, desigualdad CHSH o tomografía cuántica con top quarks. Curiosamente, tanto el entrelazamiento como la violación de CHSH se pueden detectar en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) a partir de la medición de un solo observable, con una gran importancia estadística en el caso del entrelazamiento.
La implementación de estas medidas en el LHC allana el camino para estudiar la información cuántica también en colisionadores de alta energía. Debido a su comportamiento genuinamente relativista, al carácter exótico de las simetrías e interacciones involucradas, así como a su naturaleza fundamental, los colisionadores de alta energía son sistemas sumamente atractivos para este tipo de estudios. Por ejemplo, la detección de entrelazamiento propuesta representará la primera detección de entrelazamiento entre un par de quarks y la observación de entrelazamiento de energía más alta lograda hasta ahora.
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Citado por
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[2] Podist Kurashvili y Levan Chotorlishvili, “Discordancia cuántica y medidas entrópicas de dos fermiones relativistas”, arXiv: 2207.12963.
[3] Rafael Aoude, Eric Madge, Fabio Maltoni y Luca Mantani, “Tomografía cuántica SMEFT: producción de pares de quarks superiores en el LHC”, Revisión física D 106 5, 055007 (2022).
[4] Marco Fabbrichesi, Roberto Floreanini y Emidio Gabrielli, “Constricción de la nueva física en sistemas entrelazados de dos qubits: top-quark, tau-lepton y pares de fotones”, arXiv: 2208.11723.
[5] Yoav Afik y Juan Ramón Muñoz de Nova, “Discordancia cuántica y dirección en los quarks top en el LHC”, arXiv: 2209.03969.
[6] JA Aguilar-Saavedra, A. Bernal, JA Casas, and JM Moreno, “Testing entanglement and Bell inequalities in $H to ZZ$”, arXiv: 2209.13441.
Las citas anteriores son de ANUNCIOS SAO / NASA (última actualización exitosa 2022-09-29 11:58:29). La lista puede estar incompleta ya que no todos los editores proporcionan datos de citas adecuados y completos.
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