ATLAS получила сильные свидетельства запутанности пары Z-бозонов

Коллаборация ATLAS в ЦЕРН представила первые измерения квантовой запутанности между спинами пар Z-бозонов, возникающих при распаде бозона Хиггса. Результат даёт сильные свидетельства того, что совместное квантовое состояние двух Z-бозонов нельзя представить как набор двух независимых состояний. 12

Главный результат: 4,7σ в пользу запутанности

ATLAS объединила данные протон-протонных столкновений на Большом адронном коллайдере при энергиях в системе центра масс 13 и 13,6 ТэВ. В наиболее чувствительном тесте, использующем полное угловое распределение продуктов распада, гипотеза о разделимом — то есть незапутанном — состоянии была отвергнута со статистической значимостью 4,7 стандартного отклонения (4,7σ). Ожидаемая чувствительность при стандартномодельном предсказании запутанного состояния составляла 4,9σ. 12

В физике высоких энергий порог 5σ обычно используют для объявления открытия. Поэтому корректнее говорить о сильных свидетельствах, а не об окончательном открытии. Кроме того, тест с полным угловым распределением сопоставляет конкретные модели запутанного и незапутанного состояний и опирается на предположения Стандартной модели об угловой структуре распада. 12

Как удалось измерить состояние частиц, исчезающих почти мгновенно

Z-бозоны чрезвычайно короткоживущи и не оставляют в детекторе треков как долгоживущие частицы. Вместо этого ATLAS изучала чистый канал распада:

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

Здесь (\ell) означает электрон или мюон. Учёные восстановили траектории и углы вылета четырёх заряженных лептонов. Угловые распределения в распаде Z-бозона сохраняют информацию о спине исходной частицы. Поэтому по наблюдаемым лептонам можно извлечь элементы матрицы плотности спинов системы (ZZ^*) и определить её квантовые корреляции. 12

ATLAS измерила угловые наблюдаемые, чувствительные к этим элементам. Полученные коэффициенты согласуются с предсказаниями Стандартной модели, а дополнительный анализ всей угловой информации дал наиболее сильный аргумент против незапутанного описания. 12

Почему Z-бозоны — это кутриты, а не кубиты

У кубита есть два базисных состояния. Массивный Z-бозон имеет спин 1 и три возможные проекции спина, или спиральности: +1, 0 и −1. Поэтому каждый Z-бозон представляет собой трёхуровневую квантовую систему — кутрит. 2

Следовательно, распад бозона Хиггса создаёт коррелированную систему из двух кутритов. Речь идёт именно о квантовой запутанности их совместных спиновых состояний, а не об обычной классической корреляции между заранее независимыми параметрами.

Почему один из Z-бозонов виртуальный

Масса бозона Хиггса составляет примерно 125 ГэВ, тогда как для рождения двух реальных, то есть находящихся на массовой оболочке, Z-бозонов потребовалось бы около 182 ГэВ. Поэтому распад не может одновременно породить два on-shell Z-бозона. В канале (H\to ZZ^) по меньшей мере один из них находится вне массовой оболочки — он виртуальный и обозначается как (Z^). 2

Это не мешает исследованию спиновых корреляций: информация о них передаётся в угловые распределения лептонов, на которые распадается система (ZZ^*). 12

Что дадут новые данные

Измерение основано на редком, но полностью реконструируемом конечном состоянии из четырёх лептонов. Чем больше интегральная светимость — суммарный объём столкновительных данных, — тем больше доступных событий (H\to ZZ^*\to4\ell) и тем меньше статистические неопределённости угловых распределений и параметров спина. 12

Поэтому будущие данные Высокосветимого БАК и модернизация детектора ATLAS могут повысить точность измерений, позволить строже контролировать систематические неопределённости и увеличить чувствительность анализа сверх уровня 5σ. Однако это обоснованная перспектива, а не гарантированный итог: результат будет зависеть от размера набора данных и фактической работы эксперимента.