Una de las propiedades más extrañas de la naturaleza acaba de aparecer en un escenario inesperado: partículas extremadamente pesadas y efímeras producidas en el Gran Colisionador de Hadrones.
Hay fenómenos de la física cuántica que todavía resultan difíciles de aceptar incluso cuando los experimentos llevan décadas demostrando que son reales. El entrelazamiento es probablemente el más famoso. Dos partículas pueden compartir un mismo estado cuántico de una forma tan profunda que ya no pueden describirse completamente como objetos independientes. Albert Einstein desconfiaba tanto de las implicaciones de aquella idea que terminó asociándola con la célebre expresión de una «acción fantasmal a distancia». Casi un siglo después, el fantasma vuelve a aparecer, pero esta vez dentro de algunas de las colisiones de partículas más violentas que los seres humanos son capaces de producir.
La colaboración internacional ATLAS, que trabaja en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN, ha realizado la primera medición del entrelazamiento cuántico entre pares de bosones Z producidos a través de la desintegración del bosón de Higgs. El resultado lleva un fenómeno normalmente asociado a experimentos extremadamente delicados con fotones y sistemas microscópicos controlados hasta el mundo de la física de altas energías, donde partículas enormes para los estándares subatómicos nacen y desaparecen en fracciones inconcebiblemente pequeñas de segundo.
Los investigadores estudiaron colisiones de protones registradas por el detector ATLAS durante el segundo y tercer períodos de funcionamiento del Gran Colisionador de Hadrones. En el acelerador, haces de protones recorren un anillo subterráneo de 27 kilómetros prácticamente a la velocidad de la luz antes de chocar frontalmente. De esos impactos pueden surgir partículas que normalmente no existen de forma estable en nuestro entorno, entre ellas el bosón de Higgs y los bosones Z utilizados en este estudio.
El problema es que observar directamente el estado cuántico de un bosón Z es imposible en el sentido convencional. Su existencia dura aproximadamente una fracción de una billonésima de billonésima de segundo. Desaparece casi inmediatamente y se transforma en otras partículas.
Los físicos tuvieron que reconstruir lo ocurrido utilizando precisamente esos restos.
Cuando los bosones Z se desintegraron en electrones y muones, las direcciones en las que esas partículas salieron disparadas conservaron información sobre el estado de espín de sus progenitores. Analizando estadísticamente miles de estos acontecimientos, los investigadores pudieron reconstruir las correlaciones existentes entre ambos bosones y comprobar si podían explicarse como dos sistemas independientes o si, por el contrario, mostraban la firma de un estado cuántico entrelazado.
El resultado favoreció la segunda posibilidad
Los datos rechazaron la hipótesis de un estado separable con una significación estadística de 4,7 sigma. En física de partículas esa cifra representa una evidencia muy fuerte, aunque todavía se encuentra ligeramente por debajo del umbral tradicional de cinco sigma utilizado para proclamar formalmente un descubrimiento.
Lo extraordinario no es solamente haber encontrado entrelazamiento. El fenómeno ya ha sido demostrado repetidamente y constituye una parte fundamental de la mecánica cuántica. Lo excepcional es haberlo investigado utilizando partículas tan masivas y en condiciones de energía tan extremas.
Los bosones Z tienen aproximadamente 97 veces la masa de un protón. No son las partículas delicadas que solemos imaginar cuando hablamos de experimentos cuánticos. Son productos fugaces de colisiones de altísima energía que reproducen, durante instantes diminutos, condiciones que no existen de manera natural en nuestro entorno cotidiano.
Eso convierte al Gran Colisionador de Hadrones en algo más que una máquina para buscar nuevas partículas. También puede convertirse en un laboratorio donde someter las propias reglas de la mecánica cuántica a condiciones que durante décadas estuvieron fuera del alcance experimental.
Y ahí está una de las consecuencias más interesantes del trabajo. La mecánica cuántica ha superado prácticamente todas las pruebas experimentales realizadas desde su nacimiento. Sin embargo, continúa existiendo una pregunta fundamental: ¿seguirá funcionando exactamente de la misma manera cuando llevemos sus fenómenos más extraños hasta energías cada vez mayores? Experimentos como este comienzan a explorar esa frontera.
El entrelazamiento significa que determinadas propiedades de dos partículas forman parte de un único estado cuántico compartido. Medir una permite establecer correlaciones con la otra de una manera que la física clásica no puede reproducir. Durante décadas, este comportamiento provocó algunos de los debates intelectuales más intensos de la ciencia moderna.
Einstein, Boris Podolsky y Nathan Rosen publicaron en 1935 un célebre argumento cuestionando si la mecánica cuántica ofrecía realmente una descripción completa de la naturaleza. Décadas después, los experimentos basados en las desigualdades formuladas por John Bell demostraron que las correlaciones cuánticas no podían explicarse mediante las teorías clásicas de variables locales ocultas que pretendían devolver al universo el tipo de comportamiento intuitivo que Einstein esperaba.
La naturaleza terminó siendo más extraña
Pero existe una confusión que conviene evitar. El entrelazamiento no significa que los científicos hayan descubierto una forma de enviar mensajes instantáneamente de una partícula a otra, ni permite transmitir información más rápido que la luz. Tampoco significa que el CERN haya encontrado una grieta en la relatividad de Einstein. Las correlaciones entre partículas entrelazadas son extraordinarias, pero no constituyen un sistema de comunicación superlumínica. La importancia de este experimento está precisamente en otro lugar.
Por primera vez, los físicos pueden estudiar estas correlaciones utilizando pares de bosones Z procedentes del Higgs y explorar cómo se comporta la información cuántica en uno de los dominios energéticos más extremos accesibles experimentalmente.
También existe una posibilidad especialmente atractiva: cualquier desviación futura respecto a las predicciones de la mecánica cuántica o del Modelo Estándar podría convertirse en una pista de física todavía desconocida. No significa que esa nueva física haya aparecido ya. Los resultados actuales son compatibles con las predicciones conocidas. Pero se ha abierto una nueva ventana desde la cual buscarla.
El Gran Colisionador de Hadrones fue construido para investigar los componentes fundamentales de la materia. Allí se confirmó en 2012 la existencia del bosón de Higgs, una partícula perseguida durante casi medio siglo. Ahora la misma máquina está permitiendo hacer otra clase de pregunta, quizá todavía más profunda. No solamente qué partículas existen. Sino hasta dónde llegan las extrañas reglas que gobiernan la realidad.
Einstein murió en 1955 sin aceptar completamente las implicaciones filosóficas de una naturaleza gobernada por este tipo de correlaciones. Setenta años después, aquella «acción fantasmal» que tanto le incomodaba continúa apareciendo allí donde los científicos consiguen mirar. Incluso entre partículas que existen durante un instante, nacidas de protones que chocan casi a la velocidad de la luz, cientos de metros bajo la frontera entre Francia y Suiza.
