ATLAS : de solides indices d’intrication quantique entre deux bosons Z issus du Higgs

La collaboration ATLAS, l’une des grandes expériences du CERN installées sur le Grand collisionneur de hadrons (LHC), a présenté les premières mesures de l’intrication quantique entre les spins de paires de bosons Z provenant de désintégrations du boson de Higgs. Le résultat apporte de solides indices que l’état quantique commun des deux Z ne peut pas être décrit comme la simple juxtaposition de deux états indépendants. 12

Un signal à 4,7 sigmas, sans encore franchir le seuil de découverte

ATLAS a combiné des données de collisions proton-proton à des énergies de centre de masse de 13 et 13,6 TeV. Dans son test le plus sensible, qui exploite l’ensemble de la distribution angulaire des produits de désintégration, l’hypothèse d’un état séparable — autrement dit non intriqué — est rejetée avec une significativité de 4,7 écarts-types (ou sigmas). La sensibilité attendue si la prédiction intriquée du Modèle standard est correcte était de 4,9 sigmas. 12

En physique des particules, la convention fixe généralement le niveau de 5 sigmas pour parler de « découverte ». Il faut donc parler ici de solides indices, et non d’une confirmation définitive. Le test reposant sur la distribution angulaire complète compare par ailleurs des hypothèses intriquée et non intriquée précises, avec des hypothèses sur le comportement angulaire de la désintégration dans le cadre du Modèle standard. 12

Voir l’intrication sans observer directement les bosons Z

Les bosons Z ont une durée de vie extrêmement courte : ils ne laissent pas de trajectoire durable dans le détecteur. Les chercheurs ont donc étudié leur désintégration dans le canal particulièrement propre suivant :

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

où les leptons (\ell) sont des électrons ou des muons.

ATLAS a reconstruit les trajectoires et les angles des quatre leptons chargés. Or, la répartition angulaire des leptons issus d’une désintégration de Z conserve une information sur le spin du boson parent. Ces angles permettent ainsi d’extraire des éléments de la matrice de densité de spin du système (ZZ^*), et donc de tester ses corrélations quantiques. 12

Les coefficients angulaires mesurés sont compatibles avec les prédictions du Modèle standard. L’analyse complémentaire utilisant toute l’information angulaire est celle qui fournit l’indice le plus fort contre une description non intriquée. 12

Pourquoi parle-t-on de « qutrits » plutôt que de qubits ?

Un qubit possède deux états de base. Le boson Z est une particule massive de spin 1 : il peut avoir trois projections de spin, ou hélicités, (+1), (0) et (-1). Chaque boson Z constitue donc un système quantique à trois niveaux, appelé qutrit. 2

La désintégration du Higgs produit ainsi un système corrélé de deux qutrits. L’intrication concerne leurs états de spin communs : il ne s’agit pas d’une corrélation classique attribuable à deux propriétés séparées et préexistantes.

Pourquoi l’un des bosons Z est-il virtuel ?

Le boson de Higgs a une masse d’environ 125 GeV. Or, produire deux bosons Z réels, dits « sur leur couche de masse » (on shell), nécessiterait une masse totale d’environ 182 GeV. Le Higgs ne peut donc pas se désintégrer en deux Z réels simultanément.

Dans la chaîne (H\rightarrow ZZ^), au moins l’un des deux bosons est donc hors couche de masse, ou virtuel, ce que signale l’astérisque dans (Z^). 2

Cela n’empêche pas d’étudier les corrélations de spin : l’information est transmise aux angles des leptons produits par la désintégration du système (ZZ^*). 12

Davantage de données pour gagner en précision

Cette mesure repose sur le canal rare, mais entièrement reconstructible, à quatre leptons. Une luminosité intégrée plus élevée fournirait davantage de ces événements, réduisant les incertitudes statistiques sur les distributions angulaires et les paramètres de spin. 12

Les futures données du LHC à haute luminosité et les améliorations du détecteur ATLAS pourraient donc affiner cette mesure, mieux contrôler les incertitudes systématiques et augmenter la sensibilité au-delà de 5 sigmas. C’est une perspective crédible, mais pas un résultat garanti : elle dépendra notamment du volume final de données et des performances expérimentales.