ATLAS encuentra fuertes indicios de entrelazamiento cuántico entre dos bosones Z nacidos de un Higgs

La colaboración ATLAS, uno de los grandes experimentos del CERN, ha presentado las primeras mediciones de entrelazamiento cuántico entre los espines de pares de bosones Z procedentes de desintegraciones del bosón de Higgs. El resultado aporta fuertes indicios de que el estado cuántico conjunto de ambos Z no puede describirse como la suma de dos estados independientes. 12

El dato clave: 4,7 sigmas a favor del entrelazamiento

ATLAS combinó datos de colisiones protón-protón a energías de centro de masas de 13 y 13,6 TeV. En su prueba más sensible, que aprovecha toda la distribución angular de los productos de desintegración, la hipótesis de un estado separable —es decir, no entrelazado— fue descartada con una significación estadística de 4,7 desviaciones estándar, o sigmas. La sensibilidad esperada bajo la predicción del Modelo Estándar para un estado entrelazado era de 4,9 sigmas. 12

En física de partículas, el umbral convencional para llamar «descubrimiento» a un resultado es de 5 sigmas. Por eso, la formulación precisa es que se trata de fuertes indicios, no de una observación definitiva. Además, la prueba basada en la distribución angular completa compara hipótesis concretas entrelazadas y no entrelazadas, y depende de supuestos sobre el comportamiento angular de la desintegración previstos por el Modelo Estándar. 12

Cómo se mide el espín de partículas que desaparecen casi al instante

Los bosones Z tienen una vida extremadamente corta, de modo que no se detectan directamente como partículas duraderas. ATLAS recurrió al canal limpio de desintegración:

[
H \rightarrow ZZ^* \rightarrow \ell^+\ell^-\ell^+\ell^-
]

Aquí, los leptones (\ell) son electrones o muones. Los investigadores reconstruyeron las trayectorias y los ángulos de los cuatro leptones cargados. Las distribuciones angulares de la desintegración del Z conservan información sobre el espín del bosón que las originó.

A partir de esos leptones observados, ATLAS pudo extraer elementos de la matriz de densidad de espín del sistema (ZZ^*) y estudiar sus correlaciones cuánticas. Los coeficientes angulares medidos son compatibles con las predicciones del Modelo Estándar; el análisis complementario que utiliza toda la información angular fue el que ofreció la evidencia más fuerte contra una descripción no entrelazada. 12

Por qué los bosones Z son qutrits, no qubits

Un qubit posee dos estados básicos. En cambio, un bosón Z masivo tiene espín 1 y puede presentar tres proyecciones de espín —o helicidades—: +1, 0 y −1. Por eso, cada Z es un sistema cuántico de tres niveles, denominado qutrit. 2

La desintegración del Higgs produce así un sistema correlacionado de dos qutrits. El entrelazamiento se refiere a los estados conjuntos de espín de ambas partículas, no a una correlación clásica que pudiera explicarse atribuyendo a cada una un estado independiente preexistente.

Por qué uno de los Z es virtual

El Higgs tiene una masa cercana a 125 GeV, mientras que producir dos bosones Z reales, o on-shell, requeriría en conjunto alrededor de 182 GeV. Por tanto, un Higgs no puede desintegrarse en dos Z on-shell simultáneamente.

En el proceso (H\rightarrow ZZ^), al menos uno de los dos bosones está fuera de masa, o es virtual, y se representa como (Z^). 2

Esto no impide estudiar las correlaciones de espín: la información se transmite a los ángulos de los leptones en los que termina desintegrándose el sistema (ZZ^*). 12

Qué aportarían más datos del LHC

La medición depende de un canal raro, aunque muy bien reconstruible: el estado final de cuatro leptones. Una mayor luminosidad integrada implica más sucesos de este tipo y, en consecuencia, menores incertidumbres estadísticas en las distribuciones angulares y en los parámetros de espín. 12

Los futuros datos del LHC de Alta Luminosidad y las mejoras del detector ATLAS podrían aumentar la precisión, permitir un mejor control de las incertidumbres sistemáticas y elevar la sensibilidad más allá de 5 sigmas. Es una perspectiva razonable, no un resultado garantizado: dependerá tanto del tamaño final de la muestra como del rendimiento experimental.