ATLAS、ヒッグス崩壊で生じるZボソン対の量子もつれに4.7σの強い証拠

ATLASコラボレーションは2026年9月11日、ヒッグス粒子の崩壊で生じたZボソン2個のスピンが量子もつれを示すことについて、強い証拠を得たと報告した。4個の崩壊生成物の角度をすべて用いる解析で、2つのスピンが独立して記述できる「分離可能（非もつれ）状態」は**4.7標準偏差（4.7σ）**で棄却された。事前に見込まれていた感度は4.9σだった。12

見えないスピンを、4個のレプトンの向きから読む

解析に用いたのは、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）で取得した、重心系エネルギー13 TeVと13.6 TeVの陽子・陽子衝突データである。ATLASは、ヒッグス粒子が次のように崩壊する、再構成精度の高い「4レプトン」事象を選んだ。

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

ここでレプトン (\ell) は電子またはミューオンを指す。2

Zボソンの寿命は約(3 \times 10^{-25})秒で、スピンを直接測ることはできない。しかし、Zボソンが崩壊して出てくるレプトンの放出方向には、親Zボソンのスピン偏極に応じた偏りが現れる。そこでATLASは4個すべてのレプトンの角度を復元し、Zボソン対のスピン密度行列の要素と、2つのスピンの相関を間接的に調べた。28

スピン密度行列の係数に対応する個別の角度観測量も測定され、誤差はなお大きいものの、標準模型の予測と整合していた。一方で、もつれをより鋭く検証したのは、角度分布全体を同時に当てはめる手法だった。210

Zボソンは「量子ビット」ではなく量子三準位系

Zボソンはスピン1の粒子である。ある軸に対してスピンの射影は(+1)、(0)、(-1)の3通りを取り得る。したがって、そのスピン状態は、2状態を扱う量子ビットではなく、**量子三準位系（qutrit）**として記述される。56

ヒッグス粒子のスピンは0であるため、そこから生まれるZボソン2個のスピンは角運動量保存則によって制約され、相関を持つ。この結果は、電弱スケールで基本的な巨大ベクトルボソンのqutrit同士のもつれを調べた最初の研究と位置付けられる。LHCで先行して進められたスピン1/2のトップクォーク・反トップクォーク対の研究を拡張するものだ。56

なお、Zボソン対がトップ・反トップ対より「強くもつれている」という表現は慎重に受け止める必要がある。これは特定の生成過程で調べた量子状態の比較であり、あらゆる量子もつれ系を一列に順位付けする普遍的な尺度ではない。今回のATLASの主結果は、Zボソン対のもつれを示す証拠と、その統計的有意度を確立した点にある。26

なぜ片方のZボソンには「*」が付くのか

崩壊式は(H \rightarrow ZZ^*)と書かれる。ヒッグス粒子の質量は約125 GeVだが、実在粒子（オンシェル）のZボソン2個を作るには、およそ(2 \times 91) GeVが必要であり、エネルギーが足りない。

そのため少なくとも一方は、質量が一定の実在粒子としては現れないオフシェル（仮想）Zボソンとなる。崩壊前の不変質量がより低く、事象ごとに変わり得ることを示す記号が(Z^*)のアスタリスクである。5

約400事象、4.7σは何を意味するか

選ばれたヒッグス粒子から4レプトンへの崩壊候補は、およそ400事象だった。LHCの解析としては多い数ではないが、この終状態は背景事象が比較的少なく、詳細な再構成が可能という大きな利点がある。25

4.7σとは、この解析の仮定の下で、データが「Zボソン2個のスピンはもつれていない」という仮説と強く矛盾することを意味する。きわめて説得力のある証拠ではあるが、素粒子物理で観測や発見を宣言する際に一般的に使われる5σの基準にはまだ達していない。27

また、最も感度の高い結果は、完全な角度分布へのフィットと、崩壊過程に関する標準模型の仮定に基づいている。今後データが増えれば統計誤差を縮め、スピン相関をさらに細かく検証できる。2

新粒子の発見ではないが、量子力学への高エネルギー試験

量子もつれの検証は、通常、精密に制御された低エネルギーの量子実験で行われる。ATLASはこれを、高エネルギー衝突で生まれ、ほとんど瞬時に崩壊する巨大粒子へと持ち込んだ。ヒッグス崩壊は、Zボソンを支配する電弱相互作用と量子相関を同時に検証する新しい場になった。45

ATLASがデータ収集を続け、高輝度LHCによって利用可能なデータ量が増えれば、4レプトン過程を使った測定はさらに高精度かつ詳細になる見込みだ。直ちに新粒子が見つかった、あるいは量子コンピュータにつながるという成果ではない。それでも、極めて高いエネルギーで生まれる基本粒子の相関スピンを通じ、量子力学の記述を厳しく試す重要な一歩である。45