Observan por primera vez el entrelazamiento cuántico entre partículas 'virtuales' y 'reales'

El análisis de los productos finales de la desintegración de partículas ha permitido a un grupo de científicos detectar la huella del entrelazamiento cuántico en bosones Z, incluso cuando uno de estos es una partícula virtual, lo que significa que nunca se le podrá observar directamente. Según informó el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), la investigación se centró en la forma en que estos bosones, surgidos de la desintegración de un bosón de Higgs en el gran colisionador de hadrones (LHC) del CERN, muestran entrelazamiento en su espín, una característica fundamental del comportamiento cuántico que hasta ahora no se había observado en la interacción entre partículas reales y virtuales.

De acuerdo con el reporte del CSIC, que depende del Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades, este avance representa la primera vez que se ha registrado evidencia experimental de entrelazamiento cuántico entre una partícula medible y otra de carácter virtual. El experimento, desarrollado por la colaboración internacional 'ATLAS', contó con la participación de equipos de las universidades de Yale y Michigan en Estados Unidos, así como de Oxford en Reino Unido, y ha resultado en la verificación de aspectos clave de la física de partículas y la mecánica cuántica en el régimen de más alta energía alcanzado hasta ahora.

El medio CSIC detalló que las partículas virtuales, en palabras del investigador Juan Antonio Aguilar Saavedra del Instituto de Física Teórica (IFT), son aquellas que no respetan la relación relativista habitual entre masa, energía y momento —por esto, no existen de forma física ni pueden medirse, aunque sus efectos sí son observables en los experimentos. Ejemplo de estas partículas virtuales son los bosones W, involucrados en procesos de desintegración nuclear. Aguilar, quien junto con José Alberto Casas y Jesús María Moreno (también del IFT) forma parte del equipo local, mencionó que los resultados presentados por el experimento ATLAS validan estudios teóricos publicados desde 2023 por el grupo español, que planteaban la posibilidad de alcanzar esta medición, hasta hace pocos años considerada fuera del alcance experimental.

Según publicó el CSIC, la importancia del resultado radica en que es la primera vez que se observa un fenómeno de entrelazamiento cuántico entre partículas con tres estados posibles de polarización —denominadas qutrits—, en vez de los llamados cúbits de dos estados, que habían sido el referente en experimentos previos. Esto abre la vía a examinar la mecánica cuántica en contextos aún más complejos y de alta energía, con potenciales implicancias para el desarrollo de tecnologías cuánticas y en la comprensión del comportamiento límite de la materia.

El experimento ATLAS ha explorado la desintegración del bosón de Higgs, una partícula con espín cero, en dos bosones Z, que son mediadores de la fuerza electrodébil. Esta interacción, que unifica el electromagnetismo y la fuerza nuclear débil, es responsable de múltiples fenómenos en física de partículas y en procesos nucleares. Según explicó el CSIC, por las leyes de la relatividad, la suma de masas de los productos de una desintegración nunca puede superar a la masa de la partícula original. Por este motivo, en el caso de la desintegración del Higgs, uno de los bosones Z resultantes no alcanza la masa que le correspondería, por lo que se considera virtual y queda fuera del alcance directo de la observación experimental.

El trabajo describe que ambos bosones Z producidos se desintegran en escalas de tiempo extremadamente breves, del orden de 10^(-25) segundos. Ante la imposibilidad de detectar directamente estos bosones, el equipo de ATLAS recurrió a analizar la trayectoria y la distribución de las partículas en las que se convierten —leptones y quarks— específicamente siguiendo los casos en que se producen cuatro leptones cargados, electrones o muones. A través del estudio minucioso de estas señales, los científicos inferieron propiedades del entrelazamiento cuántico entre los bosones, descifrando la presencia del bosón virtual por sus efectos en las correlaciones observadas entre los productos de desintegración.

Tal como publicó el CSIC, este descubrimiento representa un hito, ya que confirma experimentalmente una predicción teórica sobre el comportamiento de la materia bajo condiciones extremas de energía y valida el uso de unidades de información cuántica más avanzadas, como los qutrits, en ámbito fundamental. Aguilar señaló la relevancia de este logro, subrayando la contribución activa del IFT y el papel que han tenido los estudios recientes realizados en España para orientar las estrategias de medición en el LHC.

El avance también refuerza el papel de los experimentos de física de altas energías para explorar los límites de la teoría cuántica y la relatividad, aprovechando las capacidades del gran colisionador de hadrones del CERN, la instalación científica más grande en su tipo. Según consignó el CSIC, la colaboración ATLAS seguirá empleando datos del LHC para investigar fenómenos similares y profundizar en el conocimiento de cómo las partículas elementales muestran propiedades cuánticas cuando se encuentran en estados extremos, ampliando así los horizontes de la física moderna.