1Departamento de Física Experimental, CERN, 1211 Genebra, Suíça
2Departamento de Física de Materiais, Universidad Complutense de Madrid, E-28040 Madrid, Espanha
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Sumário
Os top quarks representam sistemas únicos de alta energia, uma vez que suas correlações de spin podem ser medidas, permitindo assim estudar aspectos fundamentais da mecânica quântica com qubits em colisores de alta energia. Apresentamos aqui a estrutura geral do estado quântico de um par de quarks top-antitop ($tbar{t}$) produzido por meio de cromodinâmica quântica (QCD) em um colisor de alta energia. Argumentamos que, em geral, o estado quântico total que pode ser sondado em um colisor é dado em termos da matriz de densidade de spin de produção, que necessariamente dá origem a um estado misto. Calculamos o estado quântico de um par $tbar{t}$ produzido a partir dos processos QCD mais elementares, encontrando a presença de emaranhamento e violação de CHSH em diferentes regiões do espaço de fase. Mostramos que qualquer produção hadrônica realista de um par $tbar{t}$ é uma mistura estatística desses processos QCD elementares. Focamos nos casos experimentalmente relevantes de colisões próton-próton e próton-antipróton, realizadas no LHC e no Tevatron, analisando a dependência do estado quântico com a energia das colisões. Fornecemos observáveis experimentais para assinaturas de emaranhamento e violação de CHSH. No LHC, essas assinaturas são dadas pela medição de um único observável, que no caso do emaranhamento representa a violação de uma desigualdade de Cauchy-Schwarz. Estendemos a validade do protocolo de tomografia quântica para o par $tbar{t}$ proposto na literatura para estados quânticos mais gerais e para qualquer mecanismo de produção. Finalmente, argumentamos que uma violação de CHSH medida em um colisor é apenas uma forma fraca de violação do teorema de Bell, necessariamente contendo uma série de lacunas.
Resumo popular
Aqui apresentamos o formalismo geral do estado quântico de um par $tbar{t}$, uma realização única de alta energia de um estado de dois qubits. Notavelmente, uma vez que as probabilidades e as matrizes de densidade de cada processo de produção $tbar{t}$ são calculadas pela teoria de alta energia, ficamos simplesmente com um problema típico em informação quântica envolvendo a mistura estatística de estados quânticos de dois qubits. Esta importante observação motiva a apresentação pedagógica do artigo, totalmente desenvolvido dentro de uma genuína abordagem de informação quântica, visando torná-lo facilmente compreensível pela comunidade física em geral.
Discutimos o estudo experimental de conceitos de informação quântica como emaranhamento, desigualdade CHSH ou tomografia quântica com top quarks. Curiosamente, tanto o emaranhamento quanto a violação de CHSH podem ser detectados no Large Hadron Collider (LHC) a partir da medição de um único observável, com alta significância estatística no caso de emaranhamento.
A implementação dessas medições no LHC abre caminho para o estudo da informação quântica também em aceleradores de alta energia. Devido ao seu comportamento genuinamente relativístico, ao caráter exótico das simetrias e interações envolvidas, bem como à sua natureza fundamental, os colisores de alta energia são sistemas extremamente atrativos para este tipo de estudos. Por exemplo, a detecção de emaranhamento proposta representará a primeira detecção de emaranhamento entre um par de quarks, e a observação de emaranhamento de maior energia até agora alcançada.
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Citado por
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[2] Podist Kurashvili e Levan Chotorlishvili, “Discordância quântica e medidas entrópicas de dois férmions relativísticos”, arXiv: 2207.12963.
[3] Rafael Aoude, Eric Madge, Fabio Maltoni e Luca Mantani, “Tomografia quântica SMEFT: produção de pares de quarks no LHC”, Revisão Física D 106 5, 055007 (2022).
[4] Marco Fabbrichesi, Roberto Floreanini e Emidio Gabrielli, “Restringindo a nova física em sistemas emaranhados de dois qubits: top-quark, tau-lepton e pares de fótons”, arXiv: 2208.11723.
[5] Yoav Afik e Juan Ramón Muñoz de Nova, “Discordância quântica e direção em quarks superiores no LHC”, arXiv: 2209.03969.
[6] JA Aguilar-Saavedra, A. Bernal, JA Casas e JM Moreno, “Testing emaranhamento e desigualdades de Bell em $H a ZZ$”, arXiv: 2209.13441.
As citações acima são de SAO / NASA ADS (última atualização com êxito 2022-09-29 11:58:29). A lista pode estar incompleta, pois nem todos os editores fornecem dados de citação adequados e completos.
Não foi possível buscar Dados citados por referência cruzada durante a última tentativa 2022-09-29 11:58:27: Não foi possível buscar os dados citados por 10.22331 / q-2022-09-29-820 do Crossref. Isso é normal se o DOI foi registrado recentemente.
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