ATLAS vindt sterke aanwijzingen voor verstrengelde Z-bosonen uit Higgs-verval

De ATLAS-samenwerking bij CERN heeft voor het eerst de kwantumverstrengeling gemeten tussen de spins van paren Z-bosonen die ontstaan bij het verval van een Higgs-boson. Het resultaat levert sterke aanwijzingen dat de gezamenlijke kwantumtoestand van de twee Z-bosonen niet kan worden beschreven als twee losse, onafhankelijke toestanden. 12

De kern: 4,7 sigma tegen een niet-verstrengelde toestand

ATLAS combineerde gegevens van proton-protonbotsingen bij botsingsenergieën van 13 en 13,6 TeV. In de gevoeligste toets, die de volledige hoekverdeling van de vervalproducten gebruikt, werd de hypothese van een scheidbare — dus niet-verstrengelde — toestand verworpen met een statistische significantie van 4,7 standaardafwijkingen, of 4,7 sigma. Onder de standaardmodelvoorspelling van een verstrengelde toestand was 4,9 sigma verwacht. 12

In de hoge-energiefysica geldt 5 sigma doorgaans als de grens om van een officiële ontdekking te spreken. De passende conclusie is daarom: sterke aanwijzingen, geen definitieve ontdekking. De toets met de volledige verdeling vergelijkt bovendien specifieke verstrengelde en niet-verstrengelde hypothesen en steunt op aannames over het hoekgedrag van het verval binnen het Standaardmodel. 12

Hoe meet je de spin van deeltjes die vrijwel meteen verdwijnen?

Z-bosonen zijn uiterst kortlevend en worden niet als langdurig spoor in de detector waargenomen. ATLAS onderzocht daarom het relatief schone vervalkanaal:

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

Hierbij zijn de leptonen elektronen of muonen. De onderzoekers reconstrueerden de banen en onderlinge hoeken van vier geladen leptonen. Die hoekverdelingen dragen informatie over de spin van het Z-boson waaruit het leptonpaar voortkwam. Zo kunnen uit de gemeten leptonen onderdelen van de spindichtheidsmatrix van het ZZ*-systeem en de kwantumcorrelaties daarin worden afgeleid. 12

ATLAS bepaalde hoekgrootheden die gevoelig zijn voor die matrixelementen. De gemeten coëfficiënten waren verenigbaar met de voorspellingen van het Standaardmodel. De aanvullende analyse met alle hoekinformatie leverde vervolgens het sterkste bewijs tegen een niet-verstrengelde beschrijving. 12

Z-bosonen zijn qutrits, geen qubits

Een qubit heeft twee basistoestanden. Een massief Z-boson heeft spin 1 en kent drie mogelijke spinprojecties, of heliciteiten: +1, 0 en −1. Elk Z-boson is daarmee een kwantumsysteem met drie niveaus: een qutrit. 2

Een Higgs-verval produceert dus een gecorreleerd systeem van twee qutrits. De verstrengeling gaat hier over de gezamenlijke spintoestand van beide deeltjes, niet over een gewone klassieke correlatie die zou kunnen voortkomen uit twee vooraf vastgelegde, onafhankelijke toestanden.

Waarom één Z-boson virtueel is

Het Higgs-boson heeft een massa van ongeveer 125 GeV. Twee echte, zogeheten on-shell Z-bosonen zouden samen ongeveer 182 GeV vereisen. Een Higgs-boson kan dus niet in twee gelijktijdig on-shell Z-bosonen vervallen. In het proces H→ZZ* is ten minste een van de twee daarom off-shell, ook wel virtueel genoemd, en aangeduid met Z*. 2

Dat verhindert de spinmeting niet: de relevante informatie wordt doorgegeven aan de richtingen en hoeken van de leptonen waarin het ZZ*-systeem vervalt. 12

Waarom meer gegevens het resultaat kunnen aanscherpen

De meting steunt op het zeldzame maar volledig reconstrueerbare eindtoestandkanaal met vier leptonen. Meer geïntegreerde luminositeit betekent een grotere steekproef van zulke gebeurtenissen en daardoor kleinere statistische onzekerheden in de hoekverdelingen en spinparameters. 12

Toekomstige gegevens van de High-Luminosity LHC en upgrades van ATLAS kunnen de precisie dus verbeteren, systematische onzekerheden strenger toetsen en de gevoeligheid mogelijk boven 5 sigma brengen. Dat is een plausibel vooruitzicht, geen gegarandeerde uitkomst: het hangt af van de omvang van de dataset en de uiteindelijke detectorprestaties.