Η ATLAS βρήκε ισχυρές ενδείξεις διεμπλοκής μεταξύ δύο μποζονίων Z

Η συνεργασία ATLAS στο CERN παρουσίασε τις πρώτες μετρήσεις κβαντικής διεμπλοκής ανάμεσα στα σπιν ζευγών μποζονίων Z που προέρχονται από διασπάσεις του μποζονίου Higgs. Το αποτέλεσμα αποτελεί ισχυρή ένδειξη ότι η κοινή κβαντική κατάσταση των δύο Z δεν μπορεί να περιγραφεί ως δύο ανεξάρτητες καταστάσεις. 12

Το βασικό αποτέλεσμα: 4,7σ υπέρ της διεμπλοκής

Η ATLAS συνδύασε δεδομένα συγκρούσεων πρωτονίων–πρωτονίων με ενέργειες κέντρου μάζας 13 και 13,6 TeV. Στο πιο ευαίσθητο τεστ, το οποίο αξιοποιεί την πλήρη γωνιακή κατανομή των προϊόντων διάσπασης, η υπόθεση μιας διαχωρίσιμης —δηλαδή μη διεμπλεγμένης— κατάστασης απορρίφθηκε με στατιστική σημασία 4,7 τυπικών αποκλίσεων. Η αναμενόμενη ευαισθησία υπό την πρόβλεψη του Καθιερωμένου Προτύπου για διεμπλεγμένη κατάσταση ήταν 4,9σ. 12

Στη φυσική υψηλών ενεργειών, το 5σ είναι η συνήθης σύμβαση για να χαρακτηριστεί ένα αποτέλεσμα «ανακάλυψη». Επομένως, η σωστή διατύπωση είναι ισχυρές ενδείξεις, όχι οριστική ανακάλυψη. Επιπλέον, το τεστ πλήρους κατανομής συγκρίνει συγκεκριμένες ενδεδειγμένες και μη διεμπλεγμένες υποθέσεις και βασίζεται σε παραδοχές για τη γωνιακή συμπεριφορά της διάσπασης στο Καθιερωμένο Πρότυπο. 12

Πώς μετράται κάτι που εξαφανίζεται σχεδόν ακαριαία

Τα Z είναι εξαιρετικά βραχύβια, άρα δεν καταγράφονται ως μακρόβια σωματίδια στον ανιχνευτή. Η ATLAS χρησιμοποίησε αντί γι’ αυτό το καθαρό κανάλι διάσπασης:

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

όπου τα λεπτόνια είναι ηλεκτρόνια ή μιόνια. Οι ερευνητές ανακατασκεύασαν τις τροχιές και τις γωνίες των τεσσάρων φορτισμένων λεπτονίων. Οι γωνιακές κατανομές στη διάσπαση του Z διατηρούν πληροφορία για το σπιν του αρχικού μποζονίου. Έτσι, από τα παρατηρούμενα λεπτόνια μπορούν να εξαχθούν στοιχεία του πίνακα πυκνότητας σπιν του συστήματος ZZ* και οι κβαντικές συσχετίσεις του. 12

Η ATLAS μέτρησε γωνιακά παρατηρήσιμα ευαίσθητα σε αυτά τα στοιχεία. Οι μετρούμενοι συντελεστές ήταν συμβατοί με τις προβλέψεις του Καθιερωμένου Προτύπου, ενώ η συμπληρωματική ανάλυση της πλήρους γωνιακής πληροφορίας έδωσε την ισχυρότερη ένδειξη κατά της μη διεμπλεγμένης περιγραφής. 12

Γιατί τα Z είναι qutrits και όχι qubits

Ένα qubit έχει δύο βασικές καταστάσεις. Ένα μαζικό μποζόνιο Z έχει σπιν 1 και τρεις δυνατές προβολές σπιν ή ελικότητες: +1, 0 και −1. Κάθε Z είναι επομένως ένα κβαντικό σύστημα τριών επιπέδων, δηλαδή ένα qutrit. 2

Η διάσπαση Higgs παράγει, συνεπώς, ένα συσχετισμένο σύστημα δύο qutrits. Η διεμπλοκή εδώ αφορά τις κοινές καταστάσεις σπιν των δύο σωματιδίων και όχι μια κλασική συσχέτιση που θα μπορούσε να αποδοθεί σε ανεξάρτητες, προϋπάρχουσες καταστάσεις.

Γιατί το ένα Z είναι εικονικό

Το Higgs έχει μάζα περίπου 125 GeV, ενώ δύο πραγματικά, «on-shell» Z θα απαιτούσαν συνολική μάζα περίπου 182 GeV. Άρα η διάσπαση δεν μπορεί να δημιουργήσει δύο ταυτόχρονα on-shell μποζόνια Z. Στο κανάλι H→ZZ*, τουλάχιστον ένα από τα δύο είναι εκτός κελύφους, ή εικονικό, και συμβολίζεται Z*. 2

Αυτό δεν εμποδίζει τη μέτρηση των συσχετίσεων σπιν: η πληροφορία μεταφέρεται στις γωνίες των λεπτονίων στα οποία διασπάται το ZZ* σύστημα. 12

Τι μπορούν να προσφέρουν περισσότερα δεδομένα

Η μέτρηση βασίζεται στο σπάνιο, πλήρως ανακατασκευάσιμο τελικό κανάλι τεσσάρων λεπτονίων. Περισσότερη ολοκληρωμένη φωτεινότητα σημαίνει μεγαλύτερο δείγμα τέτοιων γεγονότων και, κατά συνέπεια, μικρότερες στατιστικές αβεβαιότητες στις γωνιακές κατανομές και στις παραμέτρους σπιν. 12

Μελλοντικά δεδομένα από το LHC υψηλής φωτεινότητας και οι αναβαθμίσεις του ATLAS μπορούν επομένως να βελτιώσουν την ακρίβεια της μέτρησης, να ελέγξουν πιο αυστηρά τις συστηματικές αβεβαιότητες και να αυξήσουν την ευαισθησία πέρα από το 5σ. Αυτό είναι εύλογη προοπτική και όχι εγγυημένη έκβαση: θα εξαρτηθεί από το μέγεθος του δείγματος και την τελική πειραματική απόδοση.