ATLAS findet starke Hinweise auf verschränkte Z-Bosonen aus Higgs-Zerfällen

Die ATLAS-Kollaboration am CERN hat erstmals die Quantenverschränkung zwischen den Spins von Z-Boson-Paaren untersucht, die beim Zerfall eines Higgs-Bosons entstehen. Das Ergebnis liefert starke Hinweise darauf, dass der gemeinsame Quantenzustand der beiden Z-Bosonen nicht als bloße Kombination zweier unabhängiger Zustände beschrieben werden kann. 12

Das Ergebnis: 4,7 Sigma gegen eine unverschränkte Beschreibung

Für die Analyse kombinierte ATLAS Proton-Proton-Kollisionsdaten bei Schwerpunktsenergien von 13 und 13,6 TeV. Im empfindlichsten Test nutzte das Team die vollständige Winkelverteilung der Zerfallsprodukte. Dabei wurde die Hypothese eines separablen, also nicht verschränkten Zustands mit einer statistischen Signifikanz von 4,7 Standardabweichungen (Sigma) verworfen. Unter der Vorhersage des Standardmodells für einen verschränkten Zustand waren 4,9 Sigma erwartet worden. 12

In der Teilchenphysik gilt 5 Sigma üblicherweise als Schwelle für die Bezeichnung „Entdeckung“. Deshalb ist die treffende Einordnung: starke Hinweise, nicht eine formale Entdeckung. Der Test der vollständigen Verteilung vergleicht zudem konkret definierte verschränkte und unverschränkte Hypothesen und beruht auf Annahmen des Standardmodells über die Winkelstruktur des Zerfalls. 12

Wie sich etwas messen lässt, das praktisch sofort zerfällt

Z-Bosonen leben viel zu kurz, um im Detektor als langlebige Teilchen registriert zu werden. ATLAS nutzte daher den besonders gut rekonstruierbaren Zerfallskanal:

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

Dabei steht (\ell) für Elektronen oder Myonen. Die Forschenden rekonstruierten die Spuren und Winkel der vier geladenen Leptonen. Diese Winkel tragen Informationen über den Spin des jeweiligen ursprünglichen Z-Bosons: Der Zerfall eines Z-Bosons hinterlässt gewissermaßen ein messbares Spin-Muster in der Flugrichtung seiner Zerfallsprodukte.

Aus diesen Daten lassen sich Elemente der Spin-Dichtematrix des (ZZ^*)-Systems und damit seine Quantenkorrelationen bestimmen. Die gemessenen Winkelkoeffizienten stimmen mit den Vorhersagen des Standardmodells überein. Die ergänzende Auswertung der vollständigen Winkelinformation lieferte den stärksten Hinweis gegen eine unverschränkte Beschreibung. 12

Z-Bosonen sind Qutrits, keine Qubits

Ein Qubit besitzt zwei Basiszustände. Ein massives Z-Boson hat den Spin 1 und kann drei Spinprojektionen beziehungsweise Helizitäten annehmen: +1, 0 und −1. Damit ist jedes Z-Boson ein Quantensystem mit drei Zuständen – ein Qutrit. 2

Der Higgs-Zerfall erzeugt in diesem Fall ein korreliertes System aus zwei Qutrits. Die Verschränkung betrifft ihre gemeinsamen Spinzustände. Sie ist also mehr als eine klassische Korrelation, die sich durch voneinander unabhängige, bereits vorher festgelegte Zustände erklären ließe.

Warum eines der Z-Bosonen virtuell ist

Das Higgs-Boson hat eine Masse von rund 125 GeV. Zwei gleichzeitig reale („on-shell“) Z-Bosonen würden zusammen dagegen etwa 182 GeV erfordern. Ein Higgs-Boson kann daher nicht in zwei on-shell-Z-Bosonen zerfallen.

Im Prozess (H\rightarrow ZZ^) ist deshalb mindestens eines der beiden Z-Bosonen off-shell, also virtuell; es wird mit (Z^) bezeichnet. Das verhindert die Spinmessung nicht: Die relevante Information wird über die Winkel der Leptonen zugänglich, in die das (ZZ^*)-System zerfällt. 2

Weshalb mehr Daten die Aussage schärfen könnten

Die Messung stützt sich auf den seltenen, aber sehr sauber rekonstruierbaren Endzustand mit vier Leptonen. Mehr integrierte Luminosität bedeutet mehr solcher Ereignisse und damit kleinere statistische Unsicherheiten bei Winkelverteilungen und Spinparametern. 12

Künftige Datensätze des High-Luminosity LHC und die dafür vorgesehenen ATLAS-Aufrüstungen könnten die Präzision folglich erhöhen, systematische Unsicherheiten genauer prüfen und die Sensitivität möglicherweise über 5 Sigma heben. Das ist eine plausible Perspektive, aber keine Garantie: Entscheidend werden die tatsächlich verfügbare Ereigniszahl und die experimentelle Leistung sein.