Физики впервые получили сильное свидетельство квантовой запутанности между двумя массивными Z-бозонами, рождающимися при распаде бозона Хиггса. Анализ данных детектора ATLAS на Большом адронном коллайдере показал, что спины частиц нельзя описать как два независимых состояния, а вероятность получить наблюдаемый результат без запутанности соответствует отклонению в 4,7 стандартного отклонения.
Новый результат переносит один из самых необычных эффектов квантовой механики в область энергий, где отдельные частицы существуют лишь ничтожные доли секунды. Раньше запутанность чаще изучали с фотонами, электронами, атомами и искусственными квантовыми системами, а эксперименты на Большом адронном коллайдере только недавно позволили искать подобные корреляции среди самых тяжёлых элементарных частиц.
В исследовании коллаборация ATLAS изучила распад H→ZZ*→4ℓ. Сначала бозон Хиггса превращается в пару Z-бозонов, причём один из них рождается вне своей массовой оболочки, после чего каждый Z-бозон распадается на пару заряженных лептонов, электронов или мюонов. В детекторе остаются четыре частицы, по направлениям движения которых можно восстановить сведения о спинах исходной пары.
Ключевую роль играет необычная квантовая структура Z-бозона. Частица имеет спин 1, поэтому вдоль выбранного направления возможны три проекции спина: +1, 0 и -1. В терминах квантовой информации такой объект напоминает не кубит с двумя состояниями, а кутрит с тремя. Пара Z-бозонов образует значительно более сложную систему, чем привычная пара запутанных фотонов.
Бозон Хиггса, напротив, имеет нулевой спин. Законы сохранения накладывают жёсткие ограничения на сочетания поляризаций двух Z-бозонов, поэтому квантовая механика предсказывает между их спинами корреляции, которые невозможно воспроизвести простой смесью независимых состояний. Физики искали следы таких связей в углах, под которыми разлетаются продукты распада.
Для анализа использовали данные протон-протонных столкновений с энергиями 13 и 13,6 ТэВ, накопленные во время двух этапов работы Большого адронного коллайдера. Измеренные элементы матрицы плотности оказались совместимы с предсказаниями Стандартной модели. Более чувствительная проверка всей угловой картины позволила сравнить запутанное состояние с гипотезой, в которой два Z-бозона можно описывать независимо.
Незапутанный вариант оказался хуже согласован с наблюдениями на уровне 4,7 стандартного отклонения при ожидаемых 4,9. В физике частиц порогом полноценного открытия обычно служат пять стандартных отклонений, поэтому авторы говорят о сильном свидетельстве, а не об окончательном наблюдении. Кроме того, наиболее чувствительный статистический тест опирается на несколько предположений Стандартной модели о распаде бозона Хиггса, что исследователи отдельно отмечают в работе.
Результат стал первым сильным свидетельством запутанности между двумя массивными векторными бозонами. Ранее ATLAS и CMS уже наблюдали квантовую запутанность между топ-кварком и антикварком при энергиях Большого адронного коллайдера с достоверностью выше пяти стандартных отклонений. Новый анализ показывает, что коллайдер можно использовать не только для поиска частиц и измерения их свойств, но и как лабораторию для проверки фундаментальных особенностей квантовой механики.
Распады бозона Хиггса особенно удобны для подобных экспериментов. Четыре электрона или мюона позволяют достаточно точно восстановить геометрию события и проследить спиновые корреляции вплоть до исходной пары Z-бозонов. По мере накопления статистики такой подход даст возможность точнее проверять структуру квантовых состояний и искать отклонения от Стандартной модели, которые могли бы изменить ожидаемую картину запутанности.
