Source: The Conversation – (in Spanish) – By Juan Antonio Aguilar Saavedra, Investigador científico del CSIC en física teórica de partículas elementales, Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC)
¿Puede una partícula que no existe de forma real estar entrelazada con otra? La pregunta no es una locura. Según un nuevo resultado del CERN, sí. Científicos implicados en el experimento ATLAS han publicado recientemente evidencia del entrelazamiento cuántico entre dos bosones Z producidos en la desintegración de un bosón de Higgs (la partícula que confiere la masa a las demás), y resulta que uno de ellos es una partícula virtual.
Dos partículas, un solo estado
El entrelazamiento es uno de los fenómenos más característicos de la mecánica cuántica y, quizás, de los más sorprendentes. Einstein lo denominó “acción fantasmal a distancia”. El motivo es que dos partículas entrelazadas comparten un mismo estado cuaántico, y una acción sobre una de ellas (por ejemplo, una medida) puede tener un efecto instantáneo sobre la segunda, con independencia de la distancia a la que se halle.
El entrelazamiento se ha observado durante décadas en fotones, átomos y otros sistemas cuánticos, y hoy es un recurso esencial en la computación cuántica. También ha llegado a los grandes aceleradores: en 2024, los experimentos ATLAS y CMS del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) observaron entrelazamiento entre parejas de quarks top, que son las partículas elementales más pesadas. Ahora, el bosón de Higgs permite ir dos pasos más allá.
Un Z que no puede existir como partícula real
El bosón de Higgs tiene una masa de unos 125 gigaelectronvoltios (GeV), y un bosón Z real, de unos 91 GeV. Un GeV equivale aproximadamente a la masa de un protón. Dos bosones Z reales suman unos 182 GeV, bastante más de lo que pesa el Higgs. Por tanto, el Higgs no puede desintegrarse a dos Z reales, pues la conservación de la energía lo impide.
Lo que sí puede producir el Higgs es un Z real y un Z virtual, cuya masa efectiva es menor que la de un Z real.
Una partícula virtual no se propaga libremente ni puede detectarse de forma directa, pero sus efectos son medibles. Entonces, la pregunta es si una partícula que nunca podremos observar directamente podría estar entrelazada con otra partícula. Como hemos adelantado, la medida de ATLAS indica que sí.
¿Cómo medir lo que no se puede ver?
El Z virtual no se detecta directamente, pero el Z real tampoco llega al detector: su vida media es de unos 3 × 10-25 segundos. Es decir, ambos bosones se desintegran casi en el mismo instante en que se producen. ATLAS ha estudiado los casos en que cada Z da lugar a una pareja de electrones o de muones. Esas partículas sí se detectan, y las direcciones en que salen emitidas permiten reconstruir las propiedades de los bosones Z que las originaron, incluido el Z virtual.
Los datos de ATLAS descartan la hipótesis de no entrelazamiento con una significancia estadística de 4,7 desviaciones estándar (sigma). Es una evidencia muy sólida, aunque en física de partículas se exigen tradicionalmente 5 sigma para hablar de observación. Por eso el resultado se presenta como “evidencia fuerte” de entrelazamiento y no como “descubrimiento”.
De los cúbits a los qutrits
El resultado tiene otra novedad, relacionada con la información cuántica. En computación cuántica, las unidades básicas de información son los cúbits, que pueden existir en dos estados fundamentales ,|0⟩ y |1⟩, o en cualquier superposición de ambos. Las partículas de espín ½ como el quark top tienen dos estados posibles y por tanto se comportan como cúbits. (El espín es una propiedad cuántica de las partículas que clásicamente equivaldría a que la partícula girase sobre sí misma).
Los bosones Z, en cambio, tienen espín 1 y tres estados posibles, que podemos denominar como |0⟩, |1⟩ y |2⟩. Por tanto, los bosones Z se comportan como qutrits, en lenguaje de información cuántica. Así, la medida de ATLAS es también la primera que proporciona evidencia de entrelazamiento entre qutrits formados por partículas elementales.
¿Existen las partículas virtuales?
Queda para el final la pregunta más peliaguda: ¿qué es exactamente una partícula virtual?
Algunos físicos sostienen que es solo una herramienta matemática para describir estados intermedios en los procesos cuánticos, ya que una partícula virtual no puede aislarse, viajar hasta un detector y observarse como una partícula real.
Pero sus efectos sí que se miden. En el análisis de ATLAS, el bosón Z virtual tiene un espín que se reconstruye de forma indirecta, y ese espín está entrelazado con el espín del Z real. Es decir, lo que llamamos partícula virtual participa en un estado cuántico conjunto con consecuencias observables.
Eso no zanja la cuestión filosófica de si las partículas virtuales “existen”. La mecánica cuántica predice los resultados de los experimentos con una precisión extraordinaria, pero no responde cuestiones de tipo más filosófico.
Sin embargo, podemos plantear una pregunta más fácil: 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 es IP1 del proyecto de investigación “Fenomenología de física de partículas en colisionadores y factorías de neutrinos, en el modelo estándar y sus extensiones” PID2022-142545NB-C21, del Plan Estatal de Investigación Científica, Técnica y de Innovación 2021-2023.
– ref. Hallazgo en el CERN: las partículas virtuales también se entrelazan – https://theconversation.com/hallazgo-en-el-cern-las-particulas-virtuales-tambien-se-entrelazan-269963