La "acción espeluznante" de Einstein supera una de las pruebas más extremas de la física

Un equipo de físicos de la Universidad de Oxford logró evidenciar que uno de los fenómenos más extraños de la física cuántica, el entrelazamiento cuántico, puede persistir incluso entre partículas extremadamente pesadas y efímeras. Este descubrimiento, realizado con el poderoso Gran Colisionador de Hadrones (LHC) de CERN, fue publicado en la revista Physical Review Letters.

El entrelazamiento cuántico se produce cuando dos partículas comparten propiedades de tal manera que las mediciones de una pueden revelar información sobre la otra, incluso cuando están separadas. Esta conexión es una de las características más contraintuitivas de la mecánica cuántica y ha desafiado la comprensión de la realidad por parte de los físicos durante décadas.

El célebre Albert Einstein denominó al entrelazamiento "acción espeluznante a distancia", y los científicos han observado previamente este efecto en sistemas que involucran fotones, electrones y iones atrapados. El entrelazamiento también se ha vuelto fundamental en varias tecnologías emergentes, incluyendo computadoras cuánticas, redes de comunicación cuántica ultra seguras y sensores avanzados.

Pruebas de entrelazamiento cuántico a energías extremas

Sin embargo, lo que no estaba claro era si el entrelazamiento podría sobrevivir en condiciones mucho más extremas, como las violentas colisiones de partículas de alta energía producidas en CERN.

Para investigar esta cuestión, un equipo internacional utilizó el experimento ATLAS en el LHC, ubicado cerca de Ginebra, Suiza. En lugar de estudiar fotones o sistemas cuánticos relativamente estables, los investigadores buscaron el entrelazamiento entre pares de bosones Z, partículas masivas que existen solo por un breve instante antes de desintegrarse.

Los bosones Z examinados en el experimento provenían de la desintegración de un bosón de Higgs, descubierto en el LHC en 2012. Un bosón de Higgs puede desintegrarse brevemente en dos bosones Z, que luego se desintegran en pares de electrones o muones. Los bosones de Higgs se producen cuando protones que viajan a un 99.99% de la velocidad de la luz colisionan a energías que alcanzan los trece billones de electronvolts.

Bosones Z efímeros dejan pistas cuánticas

Aunque los bosones Z desaparecen casi inmediatamente después de ser creados, el detector ATLAS puede medir con precisión los electrones y muones producidos por su desintegración.

Los investigadores analizaron los ángulos en los que emergieron esas partículas y utilizaron esa información para reconstruir los giros de los bosones Z originales. Esto permitió al equipo determinar si los dos bosones Z mostraban las correlaciones esperadas del entrelazamiento cuántico.

Las mediciones proporcionaron fuertes evidencias de que sí lo hicieron. Este resultado representa una de las confirmaciones de entrelazamiento cuántico a la mayor energía jamás alcanzada.

El profesor Alan Barr, coautor del estudio y miembro del Departamento de Física de Oxford, fue uno de los primeros investigadores en sugerir que los colisionadores de partículas podrían utilizarse para investigar el entrelazamiento cuántico a energías mucho más allá de las utilizadas en experimentos cuánticos tradicionales.

Barr, quien participó en la construcción del LHC, reconoció que el enorme colisionador podría servir para propósitos más allá de la búsqueda de nuevas partículas. Sus ideas ayudaron a inspirar un experimento ATLAS de 2023 que demostró el entrelazamiento entre pares de quarks top, la partícula elemental más pesada conocida.

El profesor Barr afirmó: "Estamos acostumbrados a pensar en el entrelazamiento como algo delicado, observado en experimentos de laboratorio con fotones individuales. Encontrarlo vivo y bien entre partículas tan pesadas y efímeras como los bosones Z, creados en algunas de las colisiones más violentas que podemos producir en la Tierra, demuestra cuán fundamental y robusto es este efecto cuántico. Es un buen recordatorio de que las mismas extrañas reglas de la mecánica cuántica que podrían algún día alimentar computadoras cuánticas están en acción en toda la naturaleza, incluso en las energías extremas del Gran Colisionador de Hadrones."

Ideas de computación cuántica se encuentran con la física de partículas

Este trabajo también forma parte de un esfuerzo más amplio para llevar conceptos de la ciencia de la información cuántica (el campo detrás de la computación cuántica) a la física de partículas de alta energía.

Al aplicar ideas desarrolladas para sistemas cuánticos a los enormes conjuntos de datos producidos por los colisionadores de partículas, los investigadores esperan crear formas más sensibles de detectar patrones sutiles. Estas técnicas podrían eventualmente revelar efectos que no se ajustan a la comprensión actual de los físicos sobre el universo y ofrecer pistas sobre la física más allá de las teorías existentes.

En la Universidad de Oxford, el profesor Barr co-lidera un importante proyecto interdisciplinario centrado en los fundamentos de la mecánica cuántica a altas energías. El proyecto está probando el comportamiento cuántico a escalas extremadamente pequeñas y energías muy altas, mientras examina también las cuestiones filosóficas planteadas por tales experimentos, incluyendo lo que podrían revelar sobre la naturaleza subyacente de la realidad.

El profesor Chris Timpson (Facultad de Filosofía) indicó: "El entrelazamiento es tanto el aspecto más prometedor como el más desconcertante de la realidad cuántica; estos experimentos de colisionadores que detectan el entrelazamiento presentan una nueva frontera en las investigaciones de los fundamentos de la mecánica cuántica."

CERN se prepara para pruebas cuánticas aún más profundas

Los científicos de la Universidad de Oxford también están contribuyendo a la actualización en curso del detector ATLAS. Junto con el Gran Colisionador de Hadrones de Alta Luminosidad, estas mejoras se espera que proporcionen conjuntos de datos mucho más grandes y brinden a los físicos nuevas oportunidades para investigar fenómenos cuánticos a energías extremas.

Los datos adicionales también podrían permitir a los investigadores aplicar técnicas de información cuántica más sofisticadas a la física de partículas, aumentando potencialmente la sensibilidad de futuras búsquedas de fenómenos previamente desconocidos.

La profesora Daniela Bortoletto (Departamento de Física, Universidad de Oxford), quien es la coordinadora del Reino Unido para la producción de los módulos del sistema de píxeles del detector ATLAS actualizado, comentó: "Esta medición demuestra el poder científico de la colaboración ATLAS y las capacidades únicas del Gran Colisionador de Hadrones de CERN. Los investigadores de Oxford han desempeñado un papel fundamental en el desarrollo de estos nuevos enfoques para estudiar fenómenos cuánticos a las energías más altas, y estamos orgullosos de contribuir a un esfuerzo internacional que está abriendo nuevas formas de explorar las leyes fundamentales de la naturaleza."

El estudio titulado "Mediciones del entrelazamiento de pares de bosones Z en desintegraciones de bosones de Higgs en el experimento ATLAS" ha sido publicado en Physical Review Letters.