ATLAS ser sterke tegn til kvantesammenfiltring i Z-bosoner fra Higgs-forfall

ATLAS-samarbeidet ved CERN har presentert de første målingene av kvantesammenfiltring mellom spinnene i par av Z-bosoner som oppstår når et Higgs-boson henfaller. Resultatet er en sterk indikasjon på at Z-bosonene må beskrives som én felles kvantetilstand, ikke som to uavhengige partikler. 12

4,7 sigma: Sterke indikasjoner, men ikke en formell oppdagelse

ATLAS kombinerte data fra proton–proton-kollisjoner ved massesenterenergier på 13 og 13,6 TeV. I den mest følsomme testen, som bruker hele vinkelinformasjonen fra henfallet, ble hypotesen om en separerbar – altså ikke-sammenfiltret – tilstand forkastet med en statistisk signifikans på 4,7 standardavvik, eller 4,7 sigma. Den forventede følsomheten dersom Standardmodellens sammenfiltrede tilstand gjelder, var 4,9 sigma. 12

I partikkelfysikk brukes vanligvis fem sigma som terskel for å kalle et resultat en «oppdagelse». Derfor er den presise beskrivelsen her sterke indikasjoner, ikke en endelig oppdagelse. Testen med hele vinkelspennet sammenligner dessuten bestemte sammenfiltrede og ikke-sammenfiltrede hypoteser, og bygger på antakelser om henfallets vinkelavhengighet i Standardmodellen. 12

Slik kan man måle partikler som forsvinner nesten umiddelbart

Z-bosonene lever altfor kort til å bli registrert direkte som langlivede spor i detektoren. I stedet undersøkte ATLAS den særlig rene henfallskanalen:

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

Her er (\ell) enten et elektron eller et myon. Forskerne rekonstruerte sporene og retningene til fire ladde leptoner. Vinkelfordelingen til leptonene bærer med seg informasjon om spinnet til Z-bosonet de kom fra. Dermed kan målingene brukes til å hente ut elementer i spinn-tetthetsmatrisen for (ZZ^*)-systemet og til å undersøke kvantesammenhengene mellom bosonene. 12

ATLAS målte vinkelobservabler som er følsomme for disse størrelsene. De målte koeffisientene var forenlige med Standardmodellens forutsigelser, mens den komplementære analysen av hele vinkelinformasjonen ga det sterkeste argumentet mot en ikke-sammenfiltret beskrivelse. 12

Z-bosoner er qutritter, ikke qubiter

En qubit har to grunntilstander. Et massivt Z-boson har spinn 1 og tre mulige spinnprojeksjoner, eller helicitetstilstander: +1, 0 og −1. Hvert Z-boson er derfor et kvantesystem med tre nivåer – en qutritt. 2

Higgs-henfallet lager dermed et korrelert system av to qutritter. Sammenfiltringen gjelder de felles spinn-tilstandene, og er mer enn en klassisk korrelasjon som kunne forklares ved at hver partikkel hadde sin egen uavhengige, forhåndsbestemte tilstand.

Hvorfor ett av Z-bosonene er virtuelt

Higgs-bosonet har en masse på rundt 125 GeV. To vanlige, såkalte on-shell Z-bosoner ville til sammen kreve omtrent 182 GeV. Derfor kan ikke et Higgs-boson henfalle til to on-shell Z-bosoner samtidig.

I prosessen (H \rightarrow ZZ^) må minst ett av bosonene være off-shell, ofte kalt virtuelt, og markeres med stjernen i (Z^). 2

Det hindrer ikke spinnmålingen. Informasjonen om spinnsammenhengene overføres til retningene og vinklene til leptonene som (ZZ^*)-systemet henfaller til. 12

Mer data kan gi en skarpere test

Målingen bygger på den sjeldne, men fullt rekonstruerbare kanalen med fire leptoner. Mer integrert luminositet – det vil si flere registrerte kollisjoner – vil gi et større utvalg av slike hendelser og redusere de statistiske usikkerhetene i vinkel- og spinnmålingene. 12

Fremtidige data fra High-Luminosity LHC og oppgraderinger av ATLAS kan derfor forbedre presisjonen, gi bedre kontroll over systematiske usikkerheter og øke følsomheten for sammenfiltring til over fem sigma. Det er en rimelig forventning, men ikke et garantert utfall: Det vil avhenge av hvor stort datamaterialet blir og av den faktiske ytelsen til eksperimentet.