ATLAS को हिग्स क्षय के Z बोसॉनों में क्वांटम उलझाव के मजबूत संकेत मिले

ATLAS सहयोग ने CERN के लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर (LHC) के आंकड़ों में इस बात के मजबूत संकेत पाए हैं कि हिग्स बोसॉन के क्षय से पैदा हुए दो Z बोसॉनों की स्पिन अवस्थाएँ क्वांटम रूप से उलझी होती हैं। सरल शब्दों में, दोनों Z बोसॉनों को दो अलग-अलग, स्वतंत्र क्वांटम अवस्थाओं के रूप में पूरी तरह नहीं समझाया जा सकता। 12

मुख्य नतीजा: गैर-उलझी अवस्था के विरुद्ध 4.7σ

ATLAS ने 13 और 13.6 TeV केंद्र-द्रव्यमान ऊर्जा वाली प्रोटॉन-प्रोटॉन टक्करों के संयुक्त आंकड़ों का विश्लेषण किया। सबसे संवेदनशील परीक्षण में क्षय उत्पादों का पूरा कोणीय वितरण इस्तेमाल किया गया। इसमें अलग की जा सकने वाली, यानी गैर-उलझी, क्वांटम अवस्था की परिकल्पना 4.7 मानक विचलन (4.7σ) के स्तर पर असंगत पाई गई। उलझी हुई मानक मॉडल अवस्था मानने पर अपेक्षित संवेदनशीलता 4.9σ थी। 12

कण भौतिकी में किसी परिणाम को औपचारिक रूप से “खोज” कहने के लिए प्रचलित कसौटी 5σ है। इसलिए इसे अभी मजबूत साक्ष्य कहना अधिक सटीक है, न कि अंतिम खोज। यह भी ध्यान रखना जरूरी है कि पूरा-कोणीय-वितरण परीक्षण विशिष्ट उलझी और गैर-उलझी परिकल्पनाओं की तुलना करता है तथा मानक मॉडल में क्षय के कोणीय व्यवहार से जुड़ी धारणाओं पर निर्भर है। 12

पलक झपकते गायब होने वाले Z बोसॉनों को कैसे मापा गया?

Z बोसॉन इतने कम समय तक रहते हैं कि डिटेक्टर में उन्हें लंबे समय तक मौजूद कण की तरह सीधे नहीं देखा जा सकता। ATLAS ने इसके लिए अपेक्षाकृत साफ क्षय चैनल का इस्तेमाल किया:

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

यहाँ (\ell) इलेक्ट्रॉन या म्यूऑन है। वैज्ञानिकों ने अंतिम अवस्था में बने चार आवेशित लेप्टॉनों के पथ और उनके कोणों का पुनर्निर्माण किया। Z के क्षय में इन लेप्टॉनों की दिशाएँ मूल Z बोसॉन की स्पिन से जुड़ी होती हैं। इसलिए इन कोणों से Z युग्म के स्पिन-घनत्व मैट्रिक्स और उनके क्वांटम सहसंबंधों की जानकारी निकाली जा सकती है। 12

ATLAS ने इन्हीं मैट्रिक्स अवयवों के प्रति संवेदनशील कोणीय प्रेक्षणों को मापा। प्राप्त गुणांक मानक मॉडल की भविष्यवाणियों के अनुरूप रहे, जबकि पूरी कोणीय सूचना पर आधारित पूरक विश्लेषण ने गैर-उलझी व्याख्या के विरुद्ध सबसे मजबूत संकेत दिया। 12

Z बोसॉन qubit नहीं, qutrit क्यों है?

क्वांटम कंप्यूटिंग में एक qubit की दो आधार अवस्थाएँ होती हैं। लेकिन Z बोसॉन एक द्रव्यमानयुक्त स्पिन-1 कण है, जिसकी स्पिन-प्रक्षेपण या हेलिसिटी की तीन संभावित अवस्थाएँ होती हैं: +1, 0 और −1। इसीलिए प्रत्येक Z बोसॉन तीन-स्तरीय क्वांटम तंत्र, अर्थात qutrit, है। 2

हिग्स क्षय इसलिए दो qutrit का एक संयुक्त तंत्र बनाता है। यहाँ उलझाव का अर्थ दोनों कणों की संयुक्त स्पिन अवस्थाओं के बीच क्वांटम संबंध है—सिर्फ ऐसा साधारण सांख्यिकीय संबंध नहीं जिसे दो स्वतंत्र, पहले से तय अवस्थाओं से समझाया जा सके।

एक Z बोसॉन ‘आभासी’ Z* क्यों होता है?

हिग्स बोसॉन का द्रव्यमान करीब 125 GeV है, जबकि दो वास्तविक, या on-shell, Z बोसॉन बनाने के लिए कुल लगभग 182 GeV द्रव्यमान चाहिए। इसलिए हिग्स एक साथ दो on-shell Z बोसॉनों में क्षय नहीं कर सकता।

इसी कारण (H\rightarrow ZZ^) प्रक्रिया में कम-से-कम एक Z बोसॉन off-shell होता है, जिसे आभासी Z लिखा जाता है। 2 फिर भी इससे स्पिन सहसंबंध मापने में बाधा नहीं आती, क्योंकि वह जानकारी आगे चलकर लेप्टॉनों के कोणीय वितरण में दर्ज हो जाती है। 12

अधिक आंकड़े क्यों अहम होंगे?

यह मापन चार-लेप्टॉन वाली दुर्लभ लेकिन पूरी तरह पुनर्निर्मित की जा सकने वाली अंतिम अवस्था पर निर्भर है। अधिक समेकित दीप्तिमानता (integrated luminosity) का अर्थ है ऐसे घटनाक्रमों की बड़ी संख्या और कोणीय वितरणों व स्पिन मापदंडों में कम सांख्यिकीय अनिश्चितता। 12

हाई-ल्यूमिनोसिटी LHC के भविष्य के आंकड़े और ATLAS डिटेक्टर के उन्नयन मापन की सटीकता तथा व्यवस्थित अनिश्चितताओं पर नियंत्रण बेहतर कर सकते हैं। इससे संवेदनशीलता 5σ के पार जा सकती है, हालांकि यह सुनिश्चित नतीजा नहीं है; यह उपलब्ध आंकड़ों की मात्रा और अंतिम प्रायोगिक प्रदर्शन पर निर्भर करेगा।