Detectan por 1ª vez el entrelazamiento cuántico entre partículas reales y virtuales
Un estudio internacional que contó con la participación del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), dependencia del Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades, ha logrado observar por primera vez el fenómeno del entrelazamiento entre partículas reales y virtuales.
El experimento 'ATLAS' del CERN utilizó el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) para investigar el entrelazamiento cuántico entre dos bosones Z producidos durante la desintegración de un bosón de Higgs. La dirección principal del análisis estuvo a cargo de investigadores de las universidades de Yale y Michigan en Estados Unidos, además de la Universidad de Oxford en Reino Unido.
Juan Antonio Aguilar Saavedra, investigador del CSIC en el Instituto de Física Teórica (IFT) y parte del equipo, explica que las partículas virtuales no cumplen la relación clásica entre masa, energía y momento, lo que impide que existan de forma detectable, aunque sus efectos sean reales y medibles. Un ejemplo son los bosones W virtuales, que participan en procesos de desintegración nuclear, detectables a pesar de que las partículas virtuales mismas no se pueden medir.
- Entrelazamiento cuántico en partículas reales y virtuales
- Qutrits en la mecánica cuántica
- Método para detectar el entrelazamiento
Entrelazamiento cuántico en partículas reales y virtuales
La colaboración 'ATLAS' ha presentado la primera evidencia de entrelazamiento cuántico entre partículas reales y virtuales mediante datos obtenidos en el LHC. En el estudio, se investigó el entrelazamiento del espín de dos bosones Z, que actúan como mediadores de la interacción electrodébil, generados durante la desintegración de un bosón de Higgs. Esta interacción une el electromagnetismo con la fuerza nuclear débil y es responsable, entre otros fenómenos, de las desintegraciones nucleares.
Según Aguilar, la teoría de la relatividad impide que la masa de las partículas finales en una desintegración supere la masa de la partícula inicial. Por este motivo, en el proceso del bosón de Higgs a dos bosones Z, uno debe presentar una masa menor a la que le corresponde y, por lo tanto, es virtual.
Qutrits en la mecánica cuántica
Este estudio además ha evidenciado por primera vez el entrelazamiento entre qutrits elementales. Un qutrit es una unidad de información cuántica que tiene tres estados posibles, lo que permite un mayor procesamiento y almacenamiento comparado con un cúbit, que solo tiene dos estados, según explica el CSIC.
Los bosones Z y W son las únicas partículas elementales que poseen tres posibles estados de polarización, lo que los convierte en qutrits. Este avance representa un paso significativo para la mecánica cuántica en el ámbito de la energía alta.
Desde 2023, el CSIC, a través del IFT y los investigadores Juan Antonio Aguilar, José Alberto Casas y Jesús María Moreno, ha publicado varios estudios que señalaban la posibilidad de alcanzar esta medición, un logro que hasta hace poco era impensable.
Método para detectar el entrelazamiento
La desintegración del bosón de Higgs, con espín cero, genera dos bosones Z con espines fuertemente entrelazados, aunque uno de ellos es virtual y el otro tiene una vida media extremadamente corta, del orden de 10-25 segundos. Esto plantea el desafío de cómo detectar dicho entrelazamiento.
La clave está en analizar la huella del entrelazamiento en los productos finales de desintegración. Ambos bosones se desintegran casi inmediatamente en parejas de leptones o quarks, que sí pueden ser observados en el experimento. En concreto, la colaboración 'ATLAS' se centró en desintegraciones que generan cuatro leptones cargados, electrones o muones.
A partir del estudio de la distribución espacial de estas partículas detectadas, es posible inferir las propiedades de los bosones Z que las originaron, incluyendo el bosón Z virtual que no puede observarse de manera directa, explica Aguilar.
