ATLAS trova forti evidenze di entanglement tra due bosoni Z prodotti dal bosone di Higgs

La collaborazione ATLAS del CERN ha presentato le prime misure dell’entanglement quantistico fra gli spin di coppie di bosoni Z originate dal decadimento del bosone di Higgs. Il risultato fornisce forti evidenze che lo stato quantistico congiunto dei due Z non sia descrivibile come la semplice combinazione di due stati indipendenti. 12

Il risultato chiave: 4,7 sigma a favore dell’entanglement

ATLAS ha combinato dati di collisioni protone-protone raccolti a energie nel centro di massa di 13 e 13,6 TeV. Nel test più sensibile, che sfrutta l’intera distribuzione angolare dei prodotti di decadimento, l’ipotesi di uno stato separabile — cioè non entangled — è stata esclusa con una significatività statistica di 4,7 deviazioni standard. La sensibilità attesa, assumendo la previsione del Modello Standard per uno stato entangled, era di 4,9 sigma. 12

Nella fisica delle particelle, la convenzione abituale per parlare di «scoperta» è una soglia di 5 sigma. Per questo la formulazione corretta è forte evidenza, non scoperta definitiva. Va inoltre precisato che il test basato sulla distribuzione angolare completa confronta ipotesi specifiche, entangled e non entangled, e dipende da assunzioni sul comportamento angolare del decadimento nel Modello Standard. 12

Come si misura un effetto nei prodotti di particelle quasi istantanee

I bosoni Z sono estremamente instabili e non vengono osservati come particelle persistenti nel rivelatore. ATLAS ha quindi analizzato il canale di decadimento particolarmente pulito:

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

dove i leptoni sono elettroni o muoni. I ricercatori hanno ricostruito le tracce e gli angoli dei quattro leptoni carichi. Le distribuzioni angolari del decadimento dello Z conservano infatti informazione sullo spin del bosone che le ha prodotte. Dai leptoni osservati è quindi possibile ricavare elementi della matrice di densità di spin del sistema (ZZ^*) e le sue correlazioni quantistiche. 12

ATLAS ha misurato osservabili angolari sensibili a questi elementi. I coefficienti ottenuti sono compatibili con le previsioni del Modello Standard; l’analisi complementare che usa tutta l’informazione angolare è quella che ha prodotto l’evidenza più forte contro una descrizione non entangled. 12

Perché i bosoni Z sono qutrit e non qubit

Un qubit possiede due stati di base. Un bosone Z massivo ha spin 1 e tre possibili proiezioni di spin, o elicità: +1, 0 e −1. Ogni Z è dunque un sistema quantistico a tre livelli, chiamato qutrit. 2

Il decadimento del bosone di Higgs produce quindi un sistema correlato formato da due qutrit. L’entanglement riguarda i loro stati di spin congiunti: non è una semplice correlazione classica attribuibile a proprietà indipendenti già definite in precedenza.

Perché uno dei due Z è virtuale

Il bosone di Higgs ha una massa di circa 125 GeV, mentre produrre due bosoni Z reali, ossia on-shell, richiederebbe in totale circa 182 GeV. Un Higgs non può quindi decadere in due Z entrambi on-shell. Nel processo (H\rightarrow ZZ^), almeno uno dei due è fuori guscio di massa, o virtuale, ed è indicato con (Z^). 2

Questo non impedisce di studiarne le correlazioni di spin: l’informazione è trasferita agli angoli dei leptoni in cui decade il sistema (ZZ^*). 12

Cosa potrebbero cambiare più dati

La misura sfrutta il raro canale finale a quattro leptoni, che può essere ricostruito integralmente. Una maggiore luminosità integrata significa un campione più ampio di questi eventi e quindi incertezze statistiche minori sulle distribuzioni angolari e sui parametri di spin. 12

I futuri dati del Large Hadron Collider ad alta luminosità e gli aggiornamenti del rivelatore ATLAS potrebbero perciò migliorare la precisione della misura, controllare più rigorosamente le incertezze sistematiche e aumentare la sensibilità oltre le 5 sigma. È una prospettiva ragionevole, non un esito garantito: dipenderà dalla dimensione finale del campione e dalle prestazioni sperimentali.