Un estudio internacional con participación del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) ha logrado observar por primera vez el entrelazamiento cuántico entre partículas reales y virtuales, un avance clave en la física cuántica. Este logro se ha alcanzado en el experimento ATLAS del CERN, utilizando el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) para analizar el comportamiento de partículas subatómicas en condiciones extremas.
La investigación se ha centrado en el estudio del entrelazamiento cuántico de bosones Z generados durante la desintegración de un bosón de Higgs, y ha sido liderada por un equipo científico de las universidades de Yale, Michigan y Oxford. Este descubrimiento supone un avance significativo en la comprensión de los fenómenos fundamentales de la naturaleza.
Qué son las partículas virtuales y su papel en la física cuántica
Las partículas virtuales son aquellas que no cumplen la relación relativista entre masa, energía y momento, lo que implica que no pueden existir de forma directamente observable. Sin embargo, sus efectos sí son reales y medibles dentro de los procesos físicos. Tal y como explica Juan Antonio Aguilar Saavedra, investigador del CSIC en el Instituto de Física Teórica, «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».
Un ejemplo relevante es el de los bosones W virtuales, responsables de procesos como las desintegraciones nucleares, que pueden observarse aunque estas partículas no puedan medirse directamente. Este contexto es fundamental para entender la importancia del entrelazamiento entre partículas reales y virtuales.
Primeras evidencias de entrelazamiento entre qutrits elementales
El estudio presenta además una innovación destacada: la primera evidencia experimental del entrelazamiento entre qutrits elementales. Un qutrit es una unidad básica de información cuántica que posee tres estados posibles, lo que supone una ventaja frente al cúbit, que solo tiene dos.
Esta mayor capacidad de los qutrits abre nuevas posibilidades en el desarrollo de tecnologías cuánticas, especialmente en áreas como el procesamiento y almacenamiento de información. El propio Aguilar subraya que “El CSIC, a través del IFT, ha contribuido activamente a que estos resultados hoy sean posibles”, destacando el papel del Instituto de Física Teórica en investigaciones previas que anticipaban este logro.
Estudio del entrelazamiento de bosones Z en el LHC
La colaboración ATLAS ha analizado el entrelazamiento de espín entre dos bosones Z, partículas mediadoras de la interacción electrodébil, producidas en la desintegración de un bosón de Higgs. Esta interacción unifica el electromagnetismo y la fuerza nuclear débil, siendo responsable de fenómenos como las desintegraciones nucleares.
Según explica Aguilar, “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 dos bosones Z, uno de ellos debe por tanto tener una `masa’ menor que la que le corresponde, y es por tanto virtual.”. Este hecho es clave para comprender por qué uno de los bosones Z estudiados es una partícula virtual.
Los bosones Z y los bosones W son las únicas partículas elementales que presentan tres estados de polarización, lo que los convierte en qutrits naturales. Este estudio representa así un avance decisivo en la exploración de la mecánica cuántica en la frontera de la energía.
Cómo se detecta el entrelazamiento cuántico invisible
Uno de los mayores retos del estudio ha sido demostrar un fenómeno que involucra partículas que no pueden observarse directamente. Para ello, los científicos han analizado la huella del entrelazamiento cuántico en los productos finales de la desintegración.
Tal y como detalla Aguilar, “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”.
Este enfoque permite reconstruir indirectamente las propiedades de las partículas originales, incluyendo aquellas que son virtuales, lo que supone un avance clave en la investigación experimental en física de partículas.
Relevancia del descubrimiento en la física moderna
La observación del entrelazamiento cuántico entre partículas reales y virtuales y la evidencia de qutrits elementales marcan un antes y un después en la física cuántica. Este avance no solo mejora la comprensión de los procesos fundamentales del universo, sino que también abre nuevas vías en la investigación de tecnologías cuánticas avanzadas.
El papel del CSIC y del Instituto de Física Teórica refuerza la relevancia de la investigación española en el ámbito internacional, consolidando su contribución a los grandes descubrimientos científicos en la frontera del conocimiento.
