CERN encontra fortes indícios de entrelaçamento quântico entre bosões Z no LHC

Algo arrepiante foi detetado no Grande Colisionador de Hadrões do CERN.

Entre a cascata de detritos expelida pelas colisões de alta energia no mais potente colisionador de partículas do mundo, os físicos encontraram fortes indícios de um fenómeno que Albert Einstein descreveu, de forma célebre, como «ação fantasmagórica à distância».

Não é a primeira vez que o entrelaçamento quântico é observado no LHC, mas, desta vez, surgiu num contexto inédito.

Os cientistas obtiveram agora as primeiras provas sólidas de entrelaçamento entre um par de bosões Z gerados na desintegração de um bosão de Higgs. Os seus spins estão tão inseparavelmente ligados que nenhum pode ser descrito por completo sem o outro.

«Os spins dos dois bosões Z estão extremamente entrelaçados, de forma consideravelmente mais intensa do que no caso do quark top-antitop medido anteriormente», afirmou o físico Juan Antonio Aguilar-Saavedra, do Instituto de Física Teórica em Espanha, numa tradução de um vídeo em espanhol.

O entrelaçamento quântico dos bosões Z

O entrelaçamento quântico é um dos fenómenos mais estranhos que podem ocorrer entre duas partículas.

Surge quando as suas propriedades ficam tão estreitamente relacionadas que deixam de poder ser descritas de modo independente, mesmo que estejam separadas por distâncias imensas.

Ao medir uma característica de uma das partículas, passa-se imediatamente a saber algo sobre a outra. Foi precisamente este aspeto profundamente contraintuitivo da mecânica quântica que levou Einstein a usar a expressão «fantasmagórica».

Há décadas que os cientistas produzem e medem partículas entrelaçadas, como átomos e fotões. Mais recentemente, procuram explorar este fenómeno nas comunicações quânticas e na computação quântica.

Em 2024, a Colaboração ATLAS comunicou a primeira observação de entrelaçamento quântico entre pares de quarks top produzidos no LHC.

Os bosões Z, porém, funcionam de forma um pouco diferente.

Ao contrário dos quarks top, que dispõem de dois estados de spin possíveis, os bosões Z têm três. Na terminologia da informação quântica, esta diferença faz de um bosão Z um qutrit, e não um qubit de dois estados.

«E isso introduz outra diferença importante, porque esta é a primeira vez que se mede entrelaçamento com partículas elementares que são qutrits», explicou Aguilar-Saavedra.

Como o bosão de Higgs produz dois bosões Z

O bosão de Higgs - criado ao fazer colidir protões a velocidades elevadas - constitui uma via especialmente útil para gerar um par de bosões Z entrelaçados.

Como o Higgs não possui spin próprio, os dois bosões Z não podem simplesmente surgir com qualquer combinação de spins. Os seus spins têm de se conjugar de formas que conservem o spin zero da partícula que lhes deu origem.

Isto pode acontecer de várias maneiras, e a mecânica quântica permite que essas possibilidades coexistam em simultâneo, num estado partilhado pelos dois bosões Z. É esse estado comum que pode deixá-los entrelaçados.

Há, contudo, uma limitação. Um bosão de Higgs tem uma massa de cerca de 125 GeV, ao passo que um bosão Z pesa aproximadamente 91 GeV. Não existe energia suficiente para que o Higgs produza simultaneamente dois bosões Z normais.

Por isso, pelo menos um deles tem de ser virtual.

As partículas virtuais são estranhas até para os padrões da física quântica. Aparecem fugazmente nas interações em colisores, mas não podem ser observadas como partículas livres, ao contrário das suas equivalentes «reais».

Isto coloca uma questão intrigante: se um dos bosões Z do par é virtual, ainda poderá participar num fenómeno tão intrinsecamente quântico como o entrelaçamento? O novo resultado indica que sim.

Naturalmente, existe outro obstáculo no colisionador: um bosão Z dura apenas cerca de 3 x 10$^{-25}$ segundos antes de se desintegrar. Nem o Z «real» permanece tempo suficiente para que o seu spin seja medido diretamente.

Mas os bosões Z deixam pistas.

Nas desintegrações analisadas pela colaboração, cada Z produz duas partículas carregadas chamadas leptões - eletrões ou os seus parentes mais pesados, os muões. Assim, os físicos ficam com quatro partículas cujas trajetórias no detetor conseguem medir.

E esse é o ponto decisivo, pois as direções seguidas por essas quatro partículas transportam informação sobre os spins dos bosões Z que as produziram.

Os investigadores conseguiram recuar a partir dessas direções, como se rebobinassem uma fita, para reconstruir os spins das desintegrações dos bosões Z que lhes deram origem. Contudo, existe um enorme fosso de dificuldade entre dizê-lo e fazê-lo.

Parte da dificuldade deve-se ao facto de esta cadeia específica de desintegrações - um Higgs em dois Z e, depois, em quatro leptões - ser extremamente rara. Mesmo após anos de dados de colisões de partículas, os investigadores dispunham de apenas cerca de 400 eventos.

Mas isso bastou.

Com os spins dos seus bosões Z reconstruídos, os investigadores procuraram a assinatura do entrelaçamento, um padrão identificável nos dados do ATLAS.

O resultado apontou fortemente para o entrelaçamento.

No seu teste mais sensível, a equipa verificou que os dados favoreciam o estado entrelaçado em relação à alternativa não entrelaçada, com uma significância estatística de 4.7 sigma - muito perto do limiar de 5-sigma que os físicos de partículas tradicionalmente exigem antes de anunciar uma descoberta.

Embora ainda não alcance esse patamar, o resultado representa uma forte evidência de que os dois bosões Z estavam realmente entrelaçados.

A questão do bosão Z virtual

Mas a experiência levanta também outra questão, ainda mais intrigante, acerca do próprio Z virtual.

Os físicos não concordam inteiramente sobre o que significa afirmar que uma partícula virtual «existe». Ao contrário das partículas comuns, as partículas virtuais não podem ser observadas diretamente; alguns físicos encaram-nas sobretudo como ingredientes matemáticos utilizados para descrever interações.

Ainda assim, neste caso, um Z virtual parece comportar-se de uma forma marcadamente semelhante à de uma partícula: transporta informação de spin que pode ficar entrelaçada com a de outro Z.

«Podemos perguntar: as partículas virtuais existem ou são uma construção da nossa mente que usamos para calcular coisas?», disse Aguilar-Saavedra.

Alertou que o resultado não resolve essa questão filosófica, mas afirmou que poderá «lançar alguma luz sobre se as partículas virtuais são partículas ou não».

«Se anda como um pato e grasna como um pato, então aquilo para que estamos a olhar tem de ser um pato», disse.

«Neste caso, um pato virtual.»

Os resultados foram publicados na Physical Review Letters.

Este artigo foi verificado quanto aos factos por Rebecca Dyer e editado por Rebecca Dyer. Embora nos orgulhemos do nosso processo, somos apenas humanos. Se detetar algum erro, informe-nos, por favor.