Un hito histórico en la física cuántica: CERN observa entrelazamiento entre partículas reales y virtuales
En un avance científico sin precedentes, la colaboración internacional ATLAS del CERN ha logrado observar por primera vez el entrelazamiento cuántico entre partículas reales y virtuales. Este descubrimiento fundamental, realizado con el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), cuenta con una destacada participación del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) de España, organismo adscrito al Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades.
La investigación internacional detrás del hallazgo
El equipo investigador que ha liderado este análisis histórico está compuesto por miembros de prestigiosas instituciones académicas:
- Universidades de Yale y Michigan (Estados Unidos)
- Universidad de Oxford (Reino Unido)
- Instituto de Física Teórica (IFT) del CSIC español
Juan Antonio Aguilar Saavedra, investigador del CSIC en el IFT y participante clave en el estudio, explica la naturaleza de las partículas virtuales: "Las partículas virtuales son partículas que no cumplen la relación relativista entre masa, energía y momento. Y, por eso, nunca existen de forma real y medible, aunque sus efectos sí que son reales y medibles".
El experimento ATLAS y los bosones Z
El experimento ha empleado el Gran Colisionador de Hadrones para estudiar el entrelazamiento cuántico de dos bosones Z producidos en el proceso de desintegración de un bosón de Higgs. Aguilar detalla: "La teoría de la relatividad prohíbe que en una desintegración las partículas finales sumen mayor masa que la partícula inicial. En la desintegración del bosón de Higgs a dos bosones Z, uno de ellos debe por tanto tener una 'masa' menor que la que le corresponde, y es por tanto virtual".
Los bosones Z, junto con los bosones W, son las únicas partículas elementales con tres posibles estados de polarización, lo que los convierte en qutrits - unidades básicas de información cuántica con tres estados posibles que permiten mayor capacidad de procesamiento y almacenamiento que los cúbits tradicionales.
Un avance doble: primera evidencia con qutrits elementales
Esta medida de ATLAS presenta otra novedad revolucionaria: es la primera vez que se obtiene evidencia del entrelazamiento entre qutrits elementales. El CSIC destaca que un qutrit es una unidad básica de información cuántica que posee tres estados posibles, lo que permite mayor capacidad de procesamiento y almacenamiento por unidad de lo que posibilita un cúbit (con dos estados).
"El CSIC, a través del IFT, ha contribuido activamente a que estos resultados hoy sean posibles", subraya Aguilar con orgullo. El investigador, junto a José Alberto Casas y Jesús María Moreno, también del IFT, han publicado desde 2023 diversos estudios que apuntaban a la posibilidad de alcanzar esta medida, un objetivo que hace unos años ni siquiera se contemplaba en la comunidad científica.
¿Cómo ver lo invisible? La metodología innovadora
La desintegración del bosón de Higgs (espín cero) produce dos bosones Z con espines altamente entrelazados. Sin embargo, uno de los bosones no es real, y el otro tiene un tiempo de vida media de unos 10-25 segundos. Los investigadores han dado respuesta al desafío de cómo obtener evidencia de este entrelazamiento de espín en tales condiciones.
Aguilar explica la solución: "La respuesta es estudiar la huella del entrelazamiento cuántico en los productos finales de desintegración. Ambos bosones se desintegran casi de inmediato dando lugar a parejas de leptones o quarks, que son detectables en el experimento".
Concretamente, la colaboración ATLAS ha estudiado las desintegraciones a 4 leptones cargados, electrones o muones. "Mediante el análisis de la distribución espacial de estas partículas, es posible inferir las propiedades de los bosones Z que las produjeron, incluido el bosón Z virtual que nunca se podría observar directamente", señala el investigador español.
Implicaciones y futuro de la investigación
Este estudio pionero con qutrits representa un paso adelante clave en la investigación de la mecánica cuántica en la frontera de la energía. Las partículas virtuales, aunque imposibles de medir directamente, tienen efectos reales y medibles - los bosones W virtuales son, por ejemplo, responsables de las desintegraciones nucleares que podemos observar en la naturaleza.
La interacción electrodébil, que unifica el electromagnetismo y la fuerza nuclear débil y es responsable de fenómenos como las desintegraciones nucleares, ha sido el campo de estudio donde se ha producido este avance histórico. La colaboración ATLAS ha presentado por primera vez evidencia del entrelazamiento cuántico entre partículas reales y virtuales usando datos obtenidos en el Gran Colisionador de Hadrones, marcando un hito en la comprensión de los fundamentos de la física cuántica.
