Nuevo récord en la violación de la desigualdad de Bell gracias a los neutrinos

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La diferencia entre correlaciones clásicas y cuánticas viene dada por la violación de la desigualdad de Bell (o sus análogos). A grandes distancias es muy difícil estudiarla (se ha propuesto el uso de satélites para evitar la curvatura de la Tierra). Podemos usar la oscilación de los neutrinos gracias a la desigualdad de Leggett–Garg (análoga a la de Bell). Usando el experimento MINOS se ha logrado mostrar a seis sigmas la violación de esta desigualdad en una distancia de 735 km. Todo un récord para una demostración de la violación de una desigualdad tipo Bell.

El artículo es J. A. Formaggio, D. I. Kaiser, …, T. E. Weiss, “Violation of the Leggett–Garg Inequality in Neutrino Oscillations,” Physical Review Letters (Accepted, 23 Jun 2016), arXiv:1602.00041 [quant-ph]. La desigualdad de Legget–Garg fue propuesta en A. J. Leggett, A. Garg, “Quantum mechanics versus macroscopic realism: Is the flux there when nobody looks?,” Phys. Rev. Lett. 54: 857 (1985), doi: 10.1103/PhysRevLett.54.857 [PDF gratis]. Su estudio mediante la oscilación de neutrinos fue propuesto en D. Gangopadhyay, D. Home, A. S. Roy, “Probing the Leggett-Garg inequality for oscillating neutral kaons and neutrinos,” Phys. Rev. A 88, 022115 (2013), doi: 10.1103/PhysRevA.88.022115, arXiv:1304.2761 [quant-ph].

Dibujo20160722 normalized probability vs number lgi violationes classical vs quantum MINOS aps prl

El experimento MINOS estudia la oscilación de neutrinos muónicos producidos en el Fermilab (cerca de Chicago). Durante los 735 km que le separan del detector lejano en la Mina de Soudan, Minnesota, los neutrinos se propagan en un estado cuántico de superposición de sus tres sabores, electrónico, muónico y tau. Una versión de la desigualdad de Leggett-Garg (LGI) adaptada a la oscilación de los neutrinos se viola si los neutrinos se propagan en un estado de superposición cuántica, no siendo violada si la superposición es clásica. Se ha observado la violación de la LGI a seis sigmas.

Dibujo20160722 survival probability muon-neutrino measured by MINOS experiment aps prl

La diferencia de fase en la oscilación de los neutrinos entre los detectores cercano y lejano de MINOS depende de su En el intervalo de energía de los neutrinos generados por NUmI en el Fermilab, desde 0,5 GeV hasta 50 GeV, se puede estudiar las fases en el rango de ∼ (0, 3π/2]. La probabilidad de supervivencia se ajusta muy bien con los modelos teóricos para la oscilación de los neutrinos. En lugar de considerar neutrinos individuales se han estudiado los conjuntos (ensamble) de neutrinos responsables de los puntos que aparecen en esta figura de la probabilidad de supervivencia.

En concreto, se han buscado correlaciones entre tríos de conjuntos de neutrinos cuyas fases, ψa, ψb y ψc, que dependen de la energía, cumplen la relación ψa + ψb ∈ ψc ± 0.5%. Se han encontrado 82 triples que satisfacen esta correlación. Al aplicar la LGI se observa que 64 de estos tríos violan dicha desigualdad. Como resultado se observa la violación a 6,2 sigmas con respecto a lo esperado para la hipótesis nula (que las 64 de 82 son una fluctuación estadística de una distribución clásica de correlaciones en fase).

En resumen, una nueva manera de comprobar que la física cuántica no es “realista” (o no es “local”). Resulta gratificante observar este tipo de fenómenos cuánticos usando neutrinos. Más aún, cuando se ha logrado un nuevo récord de distancia (735 km) en la demostración de este tipo de violaciones de las desigualdades de Bell.


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