La física cuántica acaba de ofrecer otra razón para desconfiar de nuestra intuición sobre cómo funciona el universo. Un equipo de investigadores del CERN encontró evidencias sólidas de entrelazamiento entre dos bosones Z producidos durante la desintegración del bosón de Higgs. Hasta ahí podría parecer otro experimento sobre uno de los fenómenos más extraños de la naturaleza. Pero hay un detalle que lo cambia todo: uno de esos bosones era virtual, una entidad que no puede observarse directamente como una partícula libre.
El resultado, obtenido por la colaboración ATLAS en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), fue publicado en Physical Review Letters. Los científicos alcanzaron una significancia estadística de 4,7 sigma, suficiente para hablar de evidencia sólida, aunque ligeramente inferior al umbral convencional de 5 sigma exigido para anunciar una observación en física de partículas. El experimento también supone un avance en el estudio del entrelazamiento entre partículas elementales con tres posibles estados de espín.
El bosón de Higgs produjo dos partículas que, en teoría, no podían existir juntas de forma convencional
El entrelazamiento cuántico ocurre cuando dos sistemas comparten un estado que no puede describirse separando completamente las propiedades de cada uno. Aunque estén alejados, sus mediciones pueden presentar correlaciones que la física clásica no consigue reproducir. Este fenómeno, que Einstein cuestionó célebremente, se ha observado durante décadas en fotones, átomos y otras partículas, y actualmente constituye uno de los fundamentos de las tecnologías cuánticas.
El nuevo experimento llevó esta investigación a un escenario diferente: las desintegraciones del bosón de Higgs. Según explica el equipo ATLAS del CERN, el Higgs tiene una masa aproximada de 125 gigaelectronvoltios (GeV), mientras que un bosón Z ordinario tiene una masa cercana a 91 GeV. Dos bosones Z reales necesitarían, por tanto, alrededor de 182 GeV de energía en reposo, una cantidad superior a la disponible en la desintegración de un Higgs.
La naturaleza resuelve esta aparente contradicción mediante un proceso en el que uno de los bosones Z se encuentra fuera de su condición habitual de masa: es un bosón virtual. No puede detectarse como una partícula libre, pero participa en la interacción y sus propiedades pueden reconstruirse a partir de los productos finales de la desintegración.
Como explica Juan Antonio Aguilar Saavedra, investigador del CSIC, en The Conversation, esta característica plantea una pregunta particularmente interesante: ¿puede un estado virtual formar parte de un sistema entrelazado? Los resultados de ATLAS indican que sí, dentro del marco teórico utilizado para describir el proceso.
Cuatro partículas detectables permitieron reconstruir una conexión invisible
El experimento no observó directamente ninguno de los dos bosones Z. Ambos desaparecen casi inmediatamente después de producirse, transformándose en partículas más ligeras. Los investigadores seleccionaron desintegraciones en las que cada bosón Z daba lugar a una pareja de electrones o muones, obteniendo cuatro partículas que sí podían registrar los detectores.
A partir de sus trayectorias y de los ángulos con los que fueron emitidas, los científicos reconstruyeron información sobre los estados de espín de los bosones originales. De acuerdo con el estudio de la colaboración ATLAS, las mediciones permitieron comparar dos escenarios: uno en el que los bosones compartían entrelazamiento cuántico y otro en el que sus estados podían describirse de manera separada.
Los resultados desfavorecieron la hipótesis sin entrelazamiento con una significancia de 4,7 sigma. La Universidad de Oxford, que participó en la investigación, destacó que el experimento confirma la utilidad del bosón de Higgs como laboratorio para estudiar correlaciones cuánticas entre partículas extremadamente inestables.
Existe además otra particularidad. Los bosones Z poseen espín 1 y pueden presentar tres estados de proyección de espín, mientras que los cúbits convencionales utilizan dos estados básicos. Por eso, en términos de información cuántica, los investigadores estudian estos sistemas como qutrits, unidades cuánticas de tres niveles. El resultado constituye la primera evidencia sólida de entrelazamiento entre pares de bosones Z, lo que permite investigar sistemas más complejos que los formados por dos estados.
El descubrimiento no demuestra que las partículas virtuales sean objetos físicos independientes que podamos capturar o almacenar. Su naturaleza continúa siendo una cuestión de interpretación de la teoría cuántica. Lo que sí muestra es que los estados descritos mediante estas entidades pueden formar parte de correlaciones cuánticas medibles.
Y ahí reside lo verdaderamente fascinante: aunque una partícula virtual no pueda llegar por sí sola hasta un detector, sus propiedades pueden intervenir en una relación cuántica que deja huellas observables. El CERN acaba de aportar una nueva forma de estudiar esa frontera entre lo que la física puede describir matemáticamente y lo que los experimentos pueden medir.
