Observan por primera vez el entrelazamiento cuántico entre partículas ‘virtuales’ y ‘reales’
Calorímetro de ATLAS en el CERN
Por Agencia LQS*
Por primera vez, la física cuántica logra ver la «sombra» de lo invisible. Un equipo internacional con participación del CSIC ha observado el entrelazamiento cuántico entre partículas reales y virtuales —estas últimas, entidades que no existen de forma medible pero cuyos efectos son innegables. El hito, logrado en el experimento ATLAS del CERN a partir de la desintegración del bosón de Higgs, no solo confirma un fenómeno hasta ahora teórico, sino que abre la puerta a usar qutrits (unidades cuánticas de tres estados) para el procesamiento de información cuántica. Un avance que demuestra cómo lo que no podemos ver directamente… sí puede estar entrelazado con lo que medimos
Un estudio internacional con participación del CSIC, ha observado por primera vez el entrelazamiento entre partículas reales y virtuales. El experimento ATLAS del CERN ha empleado el gran colisionador de hadrones (LHC) para estudiar el entrelazamiento cuántico de dos bosones Z producidos en el proceso de desintegración de un bosón de Higgs. El equipo investigador que ha liderado el análisis está compuesto por miembros de las universidades de Yale y Michigan (EEUU) y Oxford (Reino Unido).
«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», explica Juan Antonio Aguilar Saavedra, investigador del CSIC en el Instituto de Física Teórica (IFT) y participante en el estudio. Bosones W virtuales son, por ejemplo, responsables de las desintegraciones nucleares, que podemos observar aunque nunca podamos medir los bosones virtuales directamente.
Esta medida de ATLAS también presenta otra novedad única: es la primera vez que se obtiene evidencia del entrelazamiento entre qutrits elementales. Un qutrit es una unidad básica de información cuántica que posee tres estados posibles. Esto 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”, destaca Aguilar. 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.
Partículas virtuales entrelazadas
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 (LHC). Concretamente, se ha estudiado el entrelazamiento de espín entre dos bosones Z (mediadores de la interacción electrodébil) producidos en la desintegración de un bosón de Higgs. La interacción electrodébil unifica el electromagnetismo y la fuerza nuclear débil, y es responsable por ejemplo de las desintegraciones nucleares.
“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.”, expone Aguilar.
Los bosones Z, junto con los bosones W, son las únicas partículas elementales con tres posibles estados de polarización (qutrits). Este estudio, el primero con qutrits, es un paso adelante clave en la investigación de la mecánica cuántica en la frontera de la energía.
¿Cómo ver lo invisible?
La desintegración del bosón de Higgs (espín cero) produce dos bosones Z con espines altamente entrelazados. Pero uno de los bosones no es real, y el otro tiene un tiempo de vida media de unos 10-25 segundos. ¿Cómo es posible entonces obtener evidencia de este entrelazamiento de espín?
“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 Aguilar.
Referencias científicas:
– ATLAS Collaboration, Measurements of Z-boson pair entanglement in decays of Higgs bosons at the ATLAS experiment, arXiv:2603.26463 [hep-ex],
DOI: 10.48550/arXiv.2603.26463
– Aguilar-Saavedra, J.A. Laboratory-frame tests of quantum entanglement in H → WW. Physical Review D, 2023. DOI: 10.1103/PhysRevD.107.076016
– Aguilar-Saavedra, A. Bernal, J.A. Casas, J.M. Moreno. Testing entanglement and Bell inequalities in 𝐻 →𝑍𝑍. Physical Review D, 2023. DOI: 10.1103/PhysRevD.107.016012
– Aguilar-Saavedra, J.A. Quantum tomography beyond the leading order. Eur. Phys. J.C, 2025. DOI: 10.1140/epjc/s10052-025-14710-z
* Con la información de CSIC comunicación.
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