Dos partículas nacidas del bosón de Higgs revelan uno de los fenómenos más extraños del universo

Los experimentos ATLAS y CMS del Gran Colisionador de Hadrones detectan fuertes indicios de entrelazamiento entre dos bosones Z, llevando uno de los fenómenos más desconcertantes de la física cuántica a energías extremas.

El entrelazamiento cuántico, uno de los fenómenos que más desconcertó a Albert Einstein, acaba de superar una nueva prueba en el mayor acelerador de partículas del mundo. Dos equipos internacionales que trabajan en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN han encontrado fuertes evidencias de que dos bosones Z procedentes de la desintegración de un bosón de Higgs pueden quedar cuánticamente entrelazados.

El resultado ha sido obtenido de forma independiente por las colaboraciones ATLAS y CMS, responsables de dos de los grandes detectores instalados en el LHC. Hasta ahora, gran parte de las demostraciones experimentales del entrelazamiento se habían realizado utilizando sistemas de energías mucho menores, como fotones de luz visible o infrarroja.

Los nuevos análisis trasladan este extraño comportamiento de la naturaleza al terreno de la física de partículas de muy alta energía y convierten al bosón de Higgs en una nueva herramienta para poner a prueba algunos de los principios fundamentales de la mecánica cuántica.

El entrelazamiento se produce cuando las propiedades cuánticas de dos partículas quedan relacionadas de tal manera que no pueden describirse completamente por separado. Einstein se mostró profundamente incómodo con las consecuencias de este fenómeno y popularizó para referirse a él la expresión de «acción fantasmal a distancia».

Décadas de experimentos han confirmado que las predicciones de la mecánica cuántica sobre el entrelazamiento son correctas. Sin embargo, llevar estas pruebas hasta las enormes energías alcanzadas en las colisiones del LHC permite explorar el fenómeno en condiciones radicalmente diferentes.

El bosón de Higgs abre una nueva ventana para estudiar la mecánica cuántica

Las colaboraciones ATLAS y CMS ya habían conseguido observar anteriormente entrelazamiento cuántico en pares de quarks top, las partículas elementales más pesadas conocidas. El nuevo trabajo se centra ahora en los bosones Z producidos durante determinadas desintegraciones del bosón de Higgs.

El bosón Z desempeña un papel fundamental en el Modelo Estándar de la física de partículas, ya que es uno de los mediadores de la interacción nuclear débil, responsable, entre otros procesos, de determinadas formas de desintegración radiactiva.

Cuando un bosón de Higgs se desintegra produciendo dos bosones Z, las propiedades cuánticas de ambos pueden quedar estrechamente correlacionadas. Una de las claves para estudiar esta relación se encuentra en el espín, una propiedad cuántica intrínseca de las partículas.

A diferencia de los quarks top, que presentan dos posibilidades de espín en este tipo de análisis, los bosones Z pueden encontrarse en tres estados diferentes: -1, 0 o +1. Como el bosón de Higgs tiene espín cero, las propiedades de los dos bosones Z producidos en su desintegración deben guardar unas correlaciones determinadas.

Los bosones Z tienen, además, una existencia extraordinariamente breve, por lo que no pueden observarse directamente durante un periodo prolongado. Para reconstruir lo ocurrido, los científicos estudian las partículas en las que se desintegran, especialmente pares de electrones o muones.

Los detectores ATLAS y CMS son capaces de registrar estas partículas y reconstruir estadísticamente las características de los bosones Z que las originaron. Mediante el análisis de un gran número de colisiones, los investigadores pueden comprobar si las correlaciones observadas son compatibles con el entrelazamiento cuántico.

Los dos experimentos han encontrado fuertes evidencias de este fenómeno en bosones Z procedentes de la desintegración del Higgs, situando el resultado entre las pruebas de entrelazamiento cuántico realizadas a mayores escalas de energía.

El descubrimiento amplía además el papel científico del bosón de Higgs. Desde su descubrimiento en 2012, esta partícula ha sido fundamental para comprobar el mecanismo que explica cómo otras partículas elementales adquieren masa. Los nuevos resultados muestran que también puede convertirse en un laboratorio excepcional para investigar los fundamentos de la propia mecánica cuántica.

Estudiar el entrelazamiento bajo las condiciones extremas recreadas en el LHC podría ayudar a comprobar hasta dónde siguen siendo válidas las leyes cuánticas conocidas y buscar posibles desviaciones que apunten hacia fenómenos todavía desconocidos.

Estas investigaciones permiten, además, aproximarse experimentalmente a condiciones energéticas que recuerdan, aunque a una escala incomparablemente menor, a las existentes durante los primeros instantes después del Big Bang.

El entrelazamiento cuántico también tiene una importancia creciente fuera de la física fundamental. Es uno de los recursos esenciales de tecnologías emergentes como la computación, las comunicaciones y la criptografía cuánticas.

Los resultados obtenidos por ATLAS y CMS refuerzan así una de las características más sorprendentes de la naturaleza: incluso entre las partículas creadas en algunas de las colisiones más energéticas que pueden producirse artificialmente, las extrañas reglas de la mecánica cuántica continúan funcionando.