ATLAS encontra forte evidência de entrelaçamento quântico em bósons Z de decaimentos do Higgs

A colaboração ATLAS, no CERN, apresentou as primeiras medições de entrelaçamento quântico entre os spins de pares de bósons Z produzidos em decaimentos do bóson de Higgs. O resultado é uma forte evidência de que o estado quântico conjunto dos dois Z não pode ser descrito como a simples combinação de dois estados independentes. 12

O resultado: 4,7 sigmas a favor do entrelaçamento

A análise reuniu dados de colisões próton-próton no Grande Colisor de Hádrons (LHC), com energias de centro de massa de 13 e 13,6 TeV. No teste mais sensível, que usa toda a distribuição angular dos produtos do decaimento, a hipótese de um estado separável — ou seja, sem entrelaçamento — foi rejeitada com significância estatística de 4,7 desvios-padrão, ou 4,7 sigmas. A sensibilidade esperada, caso a previsão entrelaçada do Modelo Padrão estivesse correta, era de 4,9 sigmas. 12

Na física de partículas, o patamar convencional para chamar um resultado de “descoberta” é de 5 sigmas. Por isso, a conclusão apropriada é a de forte evidência, e não de confirmação definitiva. Além disso, o teste baseado na distribuição angular completa compara hipóteses específicas de estados entrelaçados e não entrelaçados e depende de pressupostos do Modelo Padrão para o comportamento angular do decaimento. 12

Como medir partículas que desaparecem quase no mesmo instante

Os bósons Z têm vida extremamente curta e não deixam um trajeto detectável como partículas duradouras. Em vez de observá-los diretamente, a ATLAS investigou o chamado canal de quatro léptons:

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

Nessa expressão, os léptons são elétrons ou múons. Os pesquisadores reconstruíram as trajetórias e os ângulos das quatro partículas carregadas produzidas no decaimento. As distribuições angulares desses léptons carregam informação sobre o spin dos bósons Z que lhes deram origem.

Com isso, é possível extrair componentes da matriz de densidade de spin do sistema (ZZ^*) e testar suas correlações quânticas. Os coeficientes angulares medidos pela ATLAS foram compatíveis com as previsões do Modelo Padrão; a análise complementar de toda a informação angular forneceu a evidência mais forte contra uma descrição sem entrelaçamento. 12

Por que os bósons Z são qutrits, e não qubits

Um qubit, unidade básica da informação quântica, tem dois estados de base. Já o bóson Z é uma partícula massiva de spin 1 e pode ter três projeções de spin, ou helicidades: +1, 0 e −1. Cada bóson Z é, portanto, um sistema quântico de três níveis: um qutrit. 2

O decaimento do Higgs produz, assim, um sistema correlacionado de dois qutrits. O entrelaçamento observado diz respeito aos estados conjuntos de spin das duas partículas — uma correlação que não pode ser explicada por estados independentes definidos previamente.

Por que um dos bósons Z é virtual

O bóson de Higgs tem massa de aproximadamente 125 GeV. Dois bósons Z reais, isto é, produzidos “na camada de massa” (on-shell), exigiriam juntos cerca de 182 GeV. Portanto, o Higgs não tem massa suficiente para se desintegrar em dois Z reais ao mesmo tempo. 2

No processo (H\rightarrow ZZ^), pelo menos um dos bósons está fora da camada de massa, ou seja, é virtual, indicado por (Z^). Isso não impede o estudo das correlações de spin: a informação chega aos detectores nas direções e nos ângulos dos léptons em que o sistema (ZZ^*) decai. 12

O que mais dados podem mudar

A medição depende de um canal raro, mas muito limpo experimentalmente: o estado final com quatro léptons. Mais luminosidade integrada — em termos simples, mais colisões úteis registradas — significa uma amostra maior desses eventos e incertezas estatísticas menores nas distribuições angulares e nos parâmetros de spin. 12

As futuras atualizações do detector ATLAS e o LHC de Alta Luminosidade podem, portanto, tornar a análise mais precisa, melhorar o controle de incertezas sistemáticas e elevar a sensibilidade além de 5 sigmas. Trata-se de uma perspectiva plausível, não de um resultado garantido: ela dependerá do volume final de dados e do desempenho experimental.