ATLAS ser stærke tegn på kvantesammenfiltring i Z-bosoner fra Higgs-henfald

ATLAS-samarbejdet ved CERN har for første gang målt kvantesammenfiltring mellem spinnene i par af Z-bosoner, der dannes, når en Higgs-boson henfalder. Resultatet er et stærkt tegn på, at de to Z-bosoners fælles kvantetilstand ikke kan beskrives som to separate, uafhængige tilstande. 12

Hovedresultatet: 4,7 sigma for sammenfiltring

ATLAS kombinerede data fra proton-proton-kollisioner ved massemidtpunksenergier på 13 og 13,6 TeV. I den mest følsomme test, som udnytter hele vinkelinformationen fra henfaldet, blev hypotesen om en separabel — altså ikke-sammenfiltret — tilstand forkastet med en statistisk signifikans på 4,7 standardafvigelser (sigma). Den forventede følsomhed, hvis Standardmodellens sammenfiltrede tilstand gælder, var 4,9 sigma. 12

I partikelfysik bruges 5 sigma normalt som tærskel for at kalde et resultat en formel opdagelse. Derfor er den præcise formulering stærke tegn, ikke en endelig opdagelse. Testen med den fulde vinkeluddeling sammenligner desuden konkrete sammenfiltrede og ikke-sammenfiltrede hypoteser og bygger på antagelser om henfaldets vinkeladfærd i Standardmodellen. 12

Sådan kan man måle partikler, der forsvinder næsten øjeblikkeligt

Z-bosonerne lever alt for kort tid til at blive set som langlivede partikler i detektoren. I stedet benyttede ATLAS den særligt rene henfaldskanal:

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

Her er (\ell) enten et elektron eller en myon. Forskerne rekonstruerede sporene og vinklerne for de fire ladede leptoner. Vinkelfordelingen af partiklerne fra et Z-henfald indeholder information om Z-bosonens spin. Derfor kan de observerede leptoner bruges til at udlede elementer i spintæthedsmatricen for (ZZ^*)-systemet og systemets kvantekorrelationer. 12

ATLAS målte vinkelvariable, der er følsomme over for disse elementer. De målte koefficienter stemte overens med Standardmodellens forudsigelser, mens analysen af den fulde vinkelinformation gav det stærkeste resultat imod en ikke-sammenfiltret beskrivelse. 12

Z-bosoner er qutritter — ikke qubits

En qubit har to grundtilstande. En massiv Z-boson har spin 1 og kan have tre mulige spinprojektioner eller helicitetstilstande: +1, 0 og −1. Hver Z-boson er dermed et kvantesystem med tre niveauer, en qutrit. 2

Higgs-henfaldet skaber altså et korreleret system af to qutritter. Sammenfiltringen handler om de to partiklers fælles spintilstand — ikke blot om en klassisk sammenhæng, der kunne forklares med to uafhængige, på forhånd fastlagte tilstande.

Hvorfor den ene Z-boson er virtuel

Higgs-bosonen har en masse på omkring 125 GeV. To virkelige, såkaldt on-shell, Z-bosoner ville tilsammen kræve omkring 182 GeV. Et Higgs-henfald kan derfor ikke skabe to on-shell Z-bosoner samtidig. I processen (H\rightarrow ZZ^) er mindst den ene Z-boson off-shell, eller virtuel, og betegnes (Z^). 2

Det forhindrer ikke, at spin-korrelationerne kan undersøges: Informationen overføres til vinklerne mellem leptonerne, som (ZZ^*)-systemet henfalder til. 12

Flere data kan gøre målingen skarpere

Målingen bygger på den sjældne, men fuldt rekonstruerbare sluttilstand med fire leptoner. Mere integreret luminositet vil give flere af disse hændelser og dermed mindre statistisk usikkerhed på vinkelmålingerne og spinparametrene. 12

Fremtidige data fra High-Luminosity LHC og opgraderinger af ATLAS kan derfor øge præcisionen, give bedre kontrol med systematiske usikkerheder og løfte følsomheden over 5 sigma. Det er en realistisk mulighed, men ikke en garanti: Det afhænger både af datamængden og af detektorens endelige ydeevne.