ATLAS löysi vahvaa näyttöä Z-bosonien kvanttikietoutumisesta Higgsin hajoamisissa

CERNin ATLAS-yhteistyö on esittänyt ensimmäiset mittaukset Higgsin bosonin hajoamisissa syntyvien Z-bosoniparien spinien kvanttikietoutumisesta. Tulos on vahva näyttö siitä, ettei kahden Z-bosonin yhteistä kvanttitilaa voi kuvata kahtena toisistaan riippumattomana tilana. 12

Vahva näyttö, ei vielä virallinen löytö

ATLAS yhdisti protoni–protonitörmäyksissä kerättyä aineistoa, jossa massakeskipiste-energiat olivat 13 ja 13,6 TeV. Herkimmässä testissä hyödynnettiin hajoamistuotteiden koko kulmajakaumaa. Siinä erillisen eli kietoutumattoman tilan oletus hylättiin 4,7 standardipoikkeaman merkitsevyydellä. Kietoutunutta tilaa ennustavan standardimallin odotettu herkkyys oli 4,9 sigmaa. 12

Hiukkasfysiikassa 5 sigmaa on tavanomainen raja, jota käytetään virallisen löydön nimitykselle. Siksi tulosta on täsmällistä kuvata vahvaksi näytöksi, ei vielä varmistetuksi löydöksi. Koko kulmajakaumaan perustuva testi myös vertailee määriteltyjä kietoutuneita ja kietoutumattomia hypoteeseja sekä nojaa standardimallin oletuksiin hajoamisen kulmakäyttäytymisestä. 12

Miten lähes välittömästi hajoavien hiukkasten spin mitattiin?

Z-bosonit ovat niin lyhytikäisiä, ettei niitä havaita ilmaisimessa pitkäikäisinä hiukkasina. ATLAS tarkasteli sen sijaan erityisen selkeää hajoamiskanavaa:

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

Tässä leptonit ovat elektroneja tai myoneja. Tutkijat rekonstruoivat neljän varatun leptonin radat ja kulmat. Z-bosonin hajoamistuotteiden kulmajakaumat säilyttävät tietoa alkuperäisen bosonin spinistä. Näin neljästä havaitusta leptonista voidaan johtaa tietoa (ZZ^*)-järjestelmän spin-tiheysmatriisista ja sen kvanttikorrelaatioista. 12

ATLAS mittasi näille matriisielementeille herkkiä kulmahavaittavia. Mitatut kertoimet sopivat standardimallin ennusteisiin, ja koko kulmainformaatiota hyödyntänyt täydentävä analyysi antoi vahvimman näytön kietoutumatonta kuvausta vastaan. 12

Z-bosoni on qutrit, ei qubit

Qubitilla on kaksi perustilaa. Massiivisen Z-bosonin spin on 1, joten sillä on kolme mahdollista spin-projektiota eli helisiteettitilaa: +1, 0 ja −1. Siksi kukin Z-bosoni on kvantti-informaation kielellä kolmitilainen järjestelmä, qutrit. 2

Higgsin hajoaminen tuottaa siis kahden qutritin korreloituneen järjestelmän. Kietoutuminen koskee kahden hiukkasen yhteisiä spin-tiloja, ei tavallista klassista korrelaatiota, joka voitaisiin selittää toisistaan riippumattomilla, ennalta määräytyneillä tiloilla.

Miksi toinen Z on virtuaalinen?

Higgsin bosonin massa on noin 125 GeV, kun taas kahden todellisen, niin sanotun on-shell-Z-bosonin tuottamiseen vaadittaisiin yhteensä noin 182 GeV. Higgs ei siis voi hajota kahdeksi yhtä aikaa on-shell-tilassa olevaksi Z-bosoniksi. Kanavassa (H \rightarrow ZZ^) vähintään toinen bosoneista on kuoren ulkopuolinen eli virtuaalinen, mistä merkintä (Z^). 2

Tämä ei estä spin-korrelaatioiden mittaamista, sillä informaatio välittyy (ZZ^*)-järjestelmän leptonihajoamistuotteiden kulmiin. 12

Lisää aineistoa voisi terävöittää tulosta

Mittaus perustuu harvinaiseen mutta kokonaan rekonstruoitavaan neljän leptonin lopputilaan. Suurempi integroitu luminositeetti tarkoittaa enemmän tällaisia tapahtumia ja siten pienempiä tilastollisia epävarmuuksia kulmajakaumissa sekä spin-parametreissa. 12

LHC:n suuren luminositeetin vaihe ja ATLAS-ilmaisimen päivitykset voivat tämän vuoksi parantaa mittauksen tarkkuutta, auttaa järjestelmällisten epävarmuuksien tiukemmassa hallinnassa ja kasvattaa herkkyyttä yli 5 sigman. Tämä on perusteltu mahdollisuus, ei varma lopputulos: se riippuu lopullisesta tapahtumamäärästä ja kokeen suorituskyvystä.