ATLAS našel silné náznaky kvantového provázání bosonů Z při rozpadu Higgsova bosonu

Spolupráce ATLAS v CERNu představila první měření kvantového provázání mezi spiny dvojic bosonů Z vznikajících při rozpadu Higgsova bosonu. Výsledek je silným náznakem, že společný kvantový stav obou bosonů Z nelze popsat jako součet dvou nezávislých stavů. 12

Hlavní výsledek: 4,7 sigma ve prospěch provázání

ATLAS zkombinoval data ze srážek proton–proton při těžištných energiích 13 a 13,6 TeV. V nejcitlivějším testu, který využívá úplné úhlové rozdělení produktů rozpadu, byla hypotéza separabilního, tedy neprovázaného stavu zamítnuta se statistickou významností 4,7 směrodatné odchylky (sigma). Očekávaná citlivost při standardním modelovém předpokladu provázaného stavu činila 4,9 sigma. 12

Ve fyzice vysokých energií se za obvyklý práh pro označení výsledku jako „objev“ považuje 5 sigma. Přesné vyjádření proto zní silné náznaky, nikoli definitivní objev. Test s úplným rozdělením navíc porovnává konkrétně definované provázané a neprovázané hypotézy a opírá se o předpoklady standardního modelu pro úhlové chování rozpadu. 12

Jak změřit částice, které téměř ihned zmizí

Bosony Z jsou mimořádně krátce žijící, takže je detektor nezachytí jako dlouho existující částice. ATLAS proto zkoumal čistý rozpadový kanál:

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

Symbol (\ell) zde znamená lepton — v této analýze elektron nebo mion. Vědci zrekonstruovali trajektorie a úhly čtyř nabitých leptonů. Úhlová rozdělení při rozpadu bosonu Z nesou informaci o spinu původního bosonu. Z naměřených leptonů tak lze určit prvky matice hustoty spinů systému (ZZ^*) i jeho kvantové korelace. 12

ATLAS změřil úhlové veličiny citlivé na tyto prvky. Naměřené koeficienty byly v souladu s předpověďmi standardního modelu; doplňková analýza využívající úplnou úhlovou informaci pak poskytla nejsilnější argument proti neprovázanému popisu. 12

Proč jsou bosony Z qutrits, nikoli qubity

Qubit má dvě základní stavy. Masivní boson Z má spin 1 a tři možné projekce spinu, respektive helicity: +1, 0 a −1. Každý boson Z je tedy tříúrovňový kvantový systém, označovaný jako qutrit. 2

Rozpad Higgsova bosonu proto vytváří korelovaný systém dvou qutritů. Provázání se zde týká společných spinových stavů obou částic, nikoli běžné klasické korelace, již by šlo vysvětlit oddělenými předem danými stavy.

Proč je jeden z bosonů Z virtuální

Higgsův boson má hmotnost přibližně 125 GeV, zatímco dvě skutečné, takzvané on-shell částice Z by dohromady vyžadovaly zhruba 182 GeV. Rozpad tedy nemůže současně vytvořit dva on-shell bosony Z. V procesu (H \to ZZ^) je proto alespoň jeden z nich mimo hmotnostní skořápku — virtuální — a značí se (Z^). 2

Měření spinových korelací to nebrání: informace se přenáší do úhlů leptonů, na něž se systém (ZZ^*) rozpadá. 12

Co mohou přinést další data

Měření stojí na vzácném, ale plně rekonstruovatelném konečném stavu se čtyřmi leptony. Vyšší integrovaná svítivost znamená více takových událostí, a tím i menší statistické nejistoty úhlových rozdělení a parametrů popisujících spiny. 12

Budoucí data z LHC s vysokou svítivostí a modernizace detektoru ATLAS tak mohou zvýšit přesnost měření, zpřesnit kontrolu systematických nejistot a posunout citlivost přes 5 sigma. Jde ale o rozumný výhled, nikoli jistý výsledek: bude záviset na velikosti datového vzorku i skutečné výkonnosti experimentu.