Una partícula que nunca podrá observarse directamente puede estar entrelazada con otra. Es lo que sugiere un resultado del experimento ATLAS, en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN, que ha encontrado evidencia de entrelazamiento cuántico entre dos bosones Z producidos en la desintegración de un bosón de Higgs. Uno de esos bosones es real; el otro, virtual.
El hallazgo importa por dos motivos. Por un lado, extiende al bosón de Higgs, la partícula que confiere la masa a las demás, un fenómeno que hasta ahora se había medido en otros sistemas. Por otro, toca una pregunta incómoda de la física: qué son exactamente las partículas virtuales, esas que no se propagan libremente ni se detectan de forma directa, pero cuyos efectos sí se miden.
El resultado se presenta como «evidencia fuerte» y no como «descubrimiento», una distinción que tiene que ver con los números. Los datos de ATLAS descartan la hipótesis de que no haya entrelazamiento con una significancia estadística de 4,7 desviaciones estándar, algo por debajo del listón que la física de partículas exige para hablar de observación.
4,7 sigma significancia con la que los datos de ATLAS descartan que no haya entrelazamiento
Por qué el Higgs no puede dar dos bosones Z reales
Para entender el experimento hay que partir de una cuenta de masas. El bosón de Higgs pesa unos 125 gigaelectronvoltios (GeV), una unidad que equivale aproximadamente a la masa de un protón. Un bosón Z real pesa unos 91 GeV, así que dos Z reales sumarían unos 182 GeV, bastante más que el propio Higgs.
125 GeV masa del bosón de Higgs
182 GeV suma de dos bosones Z reales, de unos 91 GeV cada uno
Esa diferencia importa porque la conservación de la energía impide que el Higgs se desintegre en dos Z reales. Lo que sí puede producir es un Z real y un Z virtual, cuya masa efectiva es menor que la de un Z real y permite que las cuentas cuadren.
Una partícula que no se ve, pero deja huella
Una partícula virtual no se propaga libremente ni puede detectarse de forma directa. Sus efectos, sin embargo, son medibles. El Z real tampoco llega al detector: se desintegra casi en el mismo instante en que se produce, con una vida media de unos 3 × 10^-25 segundos. Por eso ambos bosones se desintegran casi simultáneamente.
3 × 10^-25 s vida media de un bosón Z real
Si ninguno de los dos llega al detector, ¿cómo se estudian? ATLAS se fijó en los casos en que cada Z da lugar a una pareja de electrones o de muones, partículas que sí se detectan. Las direcciones en que se emiten esos electrones o muones permiten reconstruir las propiedades de los bosones Z que los originaron, incluido el Z virtual.
En ese análisis, el espín del Z virtual se reconstruye de forma indirecta. Y es ese espín el que aparece entrelazado con el del Z real.
Qué es el entrelazamiento y qué se había visto hasta ahora
El entrelazamiento es un fenómeno característico de la mecánica cuántica, que Einstein llamó «acción fantasmal a distancia». Implica que dos partículas comparten un mismo estado cuántico, de modo que una medida sobre una de ellas puede tener un efecto instantáneo sobre la otra, con independencia de la distancia.
Se ha observado durante décadas en fotones, átomos y otros sistemas cuánticos, y es un recurso esencial en la computación cuántica. En el LHC, el hito previo llegó en 2024, cuando los experimentos ATLAS y CMS observaron entrelazamiento entre parejas de quarks top, las partículas elementales más pesadas.
Del quark top al bosón Z
- 2024: ATLAS y CMS observan entrelazamiento entre parejas de quarks top.
- Ahora: ATLAS publica evidencia de entrelazamiento entre dos bosones Z producidos en la desintegración de un bosón de Higgs.
El resultado actual da, según el autor del artículo en el que se basa esta información, dos pasos más allá al utilizar el bosón de Higgs como origen del par entrelazado.
De los cúbits a los qutrits
En computación cuántica, las unidades básicas de información son los cúbits, que pueden estar en cualquier superposición de sus dos estados fundamentales. Las partículas de espín ½, como el quark top, tienen dos estados posibles y se comportan como cúbits.
Los bosones Z tienen espín 1, lo que les da tres estados posibles, y se comportan como qutrits. La comparación resume la diferencia:
- Cúbit (espín ½, como el quark top): 2 estados, |0⟩ y |1⟩.
- Qutrit (espín 1, como el bosón Z): 3 estados, |0⟩, |1⟩ y |2⟩.
3 estados posibles de un bosón Z, frente a los 2 de un cúbit
Según el autor, la medida de ATLAS es también la primera que proporciona evidencia de entrelazamiento entre qutrits formados por partículas elementales. Es una afirmación del propio autor del artículo.
La pregunta de fondo: ¿existen las partículas virtuales?
El resultado muestra que lo que se llama partícula virtual participa en un estado cuántico conjunto con consecuencias observables. Pero no zanja la cuestión filosófica de si las partículas virtuales «existen». La mecánica cuántica predice los resultados de los experimentos con gran precisión, aunque no resuelve esa duda.
Algunos físicos sostienen que la partícula virtual es solo una herramienta matemática para describir estados intermedios en los procesos cuánticos. Frente a esa visión, el autor del artículo, Juan Antonio Aguilar Saavedra, investigador en física teórica de partículas elementales del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), propone una analogía informal:
«Si algo camina como un pato y grazna como un pato, ¿podemos decir que es un pato? En este caso, hablaríamos de un Z-pato virtual.»
Juan Antonio Aguilar Saavedra, investigador en física teórica de partículas elementales, CSIC
La idea es que, si algo se comporta como una partícula entrelazada con otra, quizá tenga sentido tratarlo como tal, aunque nunca pueda verse directamente.
Por qué no es todavía un descubrimiento
La física de partículas es exigente con el lenguaje. La significancia estadística de 4,7 sigma queda por debajo de las 5 sigma que se exigen tradicionalmente para hablar de observación, y por eso el resultado se presenta como «evidencia fuerte» de entrelazamiento y no como «descubrimiento».
5 sigma umbral que se exige tradicionalmente para hablar de observación
La distancia entre 4,7 y 5 puede parecer pequeña, pero marca la frontera entre una evidencia sólida y un hallazgo plenamente establecido. Con ese matiz, el resultado de ATLAS añade un capítulo a la exploración cuántica del LHC y devuelve al primer plano una vieja pregunta sobre la naturaleza de lo que no se puede ver.
Por la redacción de GUAY.news.
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