ATLAS ser starka tecken på kvantsammanflätning mellan Z-bosoner från Higgs-sönderfall

ATLAS-samarbetet vid CERN har för första gången mätt kvantsammanflätning mellan spinnet hos par av Z-bosoner som bildas när en Higgsboson sönderfaller. Resultatet är ett starkt tecken på att Z-bosonernas gemensamma kvanttillstånd inte kan beskrivas som två oberoende tillstånd. 12

Det centrala resultatet: 4,7 sigma

ATLAS kombinerade data från proton–proton-kollisioner vid masscentrumsenergierna 13 och 13,6 TeV. I det känsligaste testet, som använder hela vinkelinformationen från sönderfallet, förkastades hypotesen om ett separabelt – alltså icke-sammanflätat – tillstånd med en statistisk signifikans på 4,7 standardavvikelser (sigma). Om Z-paret följer standardmodellens förutsägelse för ett sammanflätat tillstånd var den förväntade känsligheten 4,9 sigma. 12

Inom partikelfysiken brukar 5 sigma vara gränsen för att kalla ett resultat en formell upptäckt. Därför är den försiktiga slutsatsen starka belägg, inte en slutgiltig upptäckt. Testet med hela vinkelfördelningen jämför dessutom specificerade sammanflätade och icke-sammanflätade hypoteser och bygger på antaganden om sönderfallets vinkelbeteende i standardmodellen. 12

Så kan forskarna mäta partiklar som försvinner nästan genast

Z-bosoner är mycket kortlivade och registreras inte som långlivade partiklar i detektorn. ATLAS studerade i stället den rena sönderfallskanalen

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

Där står (\ell) för elektroner eller myoner. Forskarna rekonstruerade spåren och vinklarna för de fyra laddade leptonerna. Vinkelfördelningen i ett Z-sönderfall bär information om den ursprungliga Z-bosonens spinn. Därmed går det att använda de observerade leptonerna för att bestämma delar av spinnets densitetsmatris för (ZZ^*)-systemet och dess kvantkorrelationer. 12

ATLAS mätte vinkelvariabler som är känsliga för dessa storheter. De uppmätta koefficienterna stämde överens med standardmodellens förutsägelser, medan analysen av den fullständiga vinkelinformationen gav det starkaste stödet mot en icke-sammanflätad beskrivning. 12

Z-bosoner är qutriter, inte qubitar

En qubit har två grundtillstånd. En massiv Z-boson har spinn 1 och tre möjliga spinnprojektioner, eller helicitetstillstånd: +1, 0 och −1. Varje Z-boson är alltså ett kvantsystem med tre nivåer – en qutrit. 2

Higgs-sönderfallet skapar därmed ett korrelerat system av två qutriter. Sammanflätningen gäller deras gemensamma spintillstånd, inte bara en klassisk korrelation som skulle kunna förklaras av två separata, redan bestämda tillstånd.

Varför den ena Z-bosonen är virtuell

Higgsbosonen har en massa på omkring 125 GeV. Två vanliga, så kallade on-shell, Z-bosoner skulle tillsammans kräva ungefär 182 GeV. En Higgsboson kan därför inte sönderfalla till två samtidigt on-shell Z-bosoner. I processen (H \rightarrow ZZ^) är minst en av dem utanför masskalen, eller virtuell, och betecknas (Z^). 2

Det hindrar inte spinnmätningen. Informationen om korrelationerna förs vidare till vinklarna mellan leptonerna som (ZZ^*)-systemet sönderfaller till. 12

Mer data kan göra resultatet säkrare

Mätningen bygger på den sällsynta men väl rekonstruerbara slutkanalen med fyra leptoner. Högre integrerad luminositet innebär fler sådana händelser och därmed mindre statistiska osäkerheter i vinkelfördelningarna och spinnparametrarna. 12

Framtida data från High-Luminosity LHC och uppgraderingar av ATLAS kan därför förbättra precisionen, ge bättre kontroll över systematiska osäkerheter och öka känsligheten bortom 5 sigma. Det är en rimlig möjlighet, inte ett garanterat utfall: det beror både på datamängden och på detektorns slutliga prestanda.