ATLAS detecta entrelazamiento cuántico en bosones Z

Cuando un bosón de Higgs se desintegra en dos bosones Z y cada uno de ellos se divide a su vez en un par de electrones o muones, esas cuatro partículas salen disparadas por el detector. Los bosones Z ya han desaparecido, pero los ángulos entre los cuatro leptones que quedan contienen información sobre la relación cuántica entre los dos intermediarios de los que proceden. La colaboración ATLAS, en el CERN, ha encontrado indicios sólidos de que esa relación es de entrelazamiento: las propiedades de espín de los dos bosones Z no pueden describirse de forma independiente. El resultado, publicado en Physical Review Letters el 11 de septiembre de 2026, constituye la primera medición específica del entrelazamiento de espín entre un par de bosones Z producidos en la desintegración de un Higgs (arXiv).

Inferir un estado cuántico a partir de sus restos

Los experimentos de entrelazamiento suelen hacerse con fotones sobre una mesa de laboratorio, donde los investigadores controlan qué se mide y cuándo. Un colisionador de partículas funciona de otra manera. Los bosones Z se desintegran antes de alcanzar cualquier elemento del detector. ATLAS solo registró las trayectorias y las energías de cuatro leptones cargados que emergieron de colisiones entre protones en el Large Hadron Collider.

La polarización de cada bosón Z, es decir, la orientación de su espín cuántico, genera un patrón característico en las direcciones que siguen sus dos leptones hijos. Mediante el análisis de varias distribuciones angulares en numerosas colisiones, incluida la orientación relativa de los dos planos de desintegración, la superficie plana definida por cada par de leptones, los físicos comprobaron si un modelo «separable» podía reproducir los datos. Un modelo separable supone que el estado de espín de cada bosón Z es completamente independiente del otro. Si el modelo no consigue reproducir los datos, el estado conjunto está entrelazado.

La prueba es estadística. Ninguna colisión aislada revela el entrelazamiento. La imagen se construye con cientos de sucesos, y esa es toda la muestra disponible. ATLAS combinó los datos de colisiones del Run 2, entre 2015 y 2018, con los de los tres primeros años del Run 3, entre 2022 y 2024, pero el canal de cuatro leptones es tan infrecuente que solo unos 400 sucesos candidatos superaron los criterios de selección (informe de ATLAS). Pese a lo reducido de la muestra, los datos descartaron la hipótesis separable con una significación estadística elevada.

Por qué los bosones Z complican el análisis y lo hacen interesante

Un bosón Z tiene espín 1, lo que significa que la proyección de su espín puede adoptar tres valores posibles sobre cualquier eje. Los físicos denominan a este sistema qutrit, por analogía con el qubit de las partículas de espín ½. Dos bosones Z ocupan conjuntamente un espacio de espín de nueve dimensiones. El bosón de Higgs tiene espín cero, lo que restringe de forma muy precisa cómo pueden ocuparse esas nueve dimensiones. La mecánica cuántica de la desintegración predice una superposición conjunta concreta cuyas correlaciones no puede reproducir ninguna mezcla de estados independientes de los bosones Z. Esa imposibilidad de separar el estado es justo lo que ATLAS se propuso comprobar.

Hay una dificultad adicional. El bosón de Higgs tiene una masa de unos 125 GeV, pero producir dos bosones Z con su masa normal exigiría aproximadamente 182 GeV. Por eso, uno de los dos suele producirse fuera de la capa de masa («off-shell»), con una masa efectiva inferior a la nominal. El análisis tiene en cuenta esta circunstancia y utiliza el conjunto completo de variables cinemáticas de los cuatro leptones, sin suponer que se trata de dos bosones Z perfectamente identificados.

ATLAS midió directamente dos coeficientes angulares sensibles al entrelazamiento. Con los datos disponibles, las incertidumbres sobre estos coeficientes siguen siendo grandes. Las mediciones son compatibles con el Modelo Estándar dentro de esos márgenes de incertidumbre: las correlaciones cuánticas coinciden con las previstas, aunque para alcanzar mayor precisión harán falta más datos.

Un nuevo observable para estudiar el Higgs

El valor científico del resultado está en ofrecer una nueva forma de estudiar una de las interacciones más importantes de la física de partículas: el acoplamiento entre los bosones de Higgs y Z. Este acoplamiento es fundamental para explicar cómo adquiere masa el bosón Z mediante la ruptura de la simetría electrodébil, el mecanismo que da estructura a la fuerza nuclear débil.

Si partículas o fuerzas aún no descubiertas alterasen ligeramente este acoplamiento, cambiarían las correlaciones entre las polarizaciones de los dos bosones Z. ATLAS ha demostrado que estas correlaciones pueden extraerse de datos reales, lo que abre una vía que conjuntos de datos futuros y más amplios podrán explotar con mayor precisión. Por ahora, las predicciones del Modelo Estándar se mantienen. La medición del entrelazamiento ha convertido una propiedad cuántica abstracta en algo accesible experimentalmente en la frontera energética de la física de partículas.