ATLAS、ヒッグス崩壊から生じるZボソン対の量子もつれに強い証拠

CERNのATLAS共同研究グループは、ヒッグス粒子の崩壊で生じるZボソン対について、両者のスピンが量子もつれ状態にあることを示す初の測定結果を発表しました。要点は、2個のZボソンをそれぞれ独立した量子状態としては記述できない、という強い証拠が得られたことです。12

最大のポイント：非もつれ仮説を4.7σで棄却

ATLASは、重心系エネルギー13 TeVと13.6 TeVの陽子・陽子衝突データを組み合わせて解析しました。崩壊生成物の角度分布すべてを利用する最も感度の高い検定では、分離可能、すなわち「もつれていない」状態という仮説が**4.7標準偏差（4.7σ）**で棄却されました。標準模型が予測するもつれ状態を仮定した場合の期待感度は4.9σです。12

素粒子物理では一般に、5σが「発見」と呼ぶための慣例的な基準です。そのため今回の結果は、正式な発見ではなく強い証拠と表現するのが正確です。また、全角度分布を使う検定は、特定のもつれ状態と非もつれ状態を比較するものであり、標準模型における崩壊の角度依存性についての仮定に基づいています。12

一瞬で消えるZボソンを、どう測ったのか

Zボソンは極めて短寿命で、検出器内を飛ぶ粒子として直接追跡することはできません。そこでATLASは、比較的明瞭に再構成できる次の崩壊過程を用いました。

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

ここで (\ell) は電子またはミューオンです。研究チームは、最終状態に現れる4個の荷電レプトンの軌跡と放出角を再構成しました。Zボソンの崩壊で生じるレプトンの角度分布には、親であるZボソンのスピン情報が刻まれています。

この情報から、(ZZ^*) 系のスピン密度行列の要素、つまり2個のZボソンの量子相関を導き出せます。ATLASが測定した角度観測量の係数は標準模型の予測と整合し、さらに全角度情報を用いた補完的な解析が、非もつれ状態に対する最も強い反証を与えました。12

Zボソンは「qubit」ではなく「qutrit」

量子情報でいうqubit（量子ビット）は、基本状態を2つ持つ系です。一方、スピン1の質量を持つZボソンには、スピン射影またはヘリシティとして (+1)、(0)、(-1) の3つの可能性があります。つまり各Zボソンは、3準位の量子系である**qutrit（量子三準位系）**です。2

したがってヒッグス粒子の崩壊が作るのは、2つのqutritからなる相関系です。ここでいうもつれは、単に古典的に連動しているという意味ではありません。片方ずつに独立した、あらかじめ決まった状態を割り当てるだけでは説明できない、2粒子全体のスピン状態を指します。

なぜ片方は「仮想」Zボソンなのか

ヒッグス粒子の質量は約125 GeVです。これに対し、実在粒子（オンシェル）のZボソンを2個同時に作るには、合計でおよそ182 GeVが必要になります。そのため、ヒッグス粒子は2個のオンシェルZボソンへ同時に崩壊できません。2

この崩壊 (H\rightarrow ZZ^) では、少なくとも一方のZボソンが質量殻から外れたオフシェル、すなわち仮想粒子として現れます。これを (Z^) と表記します。それでもスピン相関の測定は可能です。(ZZ^*) 系が崩壊して生じるレプトンの角度に、必要な情報が残るためです。12

データ増加で精度はどう変わるか

今回の測定は、完全に再構成できる一方で稀な4レプトン終状態に依存します。積分ルミノシティ、すなわち蓄積する衝突データ量が増えれば、この種の事象も増加し、角度分布とスピン相関パラメータに伴う統計的不確かさを小さくできます。12

将来の高輝度LHC（HL-LHC）で得られるデータとATLAS検出器のアップグレードは、測定精度の向上、系統的不確かさのより厳密な検証、そして5σを超える感度につながる可能性があります。ただしこれは見込まれる展望であり、保証された結論ではありません。最終的には事象数と実験の性能に左右されます。