Физики из Оксфордского университета помогли получить убедительные свидетельства того, что пары Z‑бозонов, возникающие при распаде бозона Хиггса, могут находиться в состоянии квантовой запутанности. Исследование проведено с помощью эксперимента ATLAS на Большом адронном коллайдере CERN и опубликовано в Physical Review Letters.
Квантовая запутанность — это явление, при котором совместное состояние двух систем нельзя описать независимо друг от друга. Результаты измерений запутанных частиц могут демонстрировать корреляции, которые невозможно воспроизвести для разделимого квантового состояния, даже если частицы находятся далеко друг от друга. При этом запутанность не позволяет передавать информацию или физическое воздействие быстрее света. Запутанность уже демонстрировали для фотонов, электронов, захваченных ионов, а в последние годы и для топ‑кварков на коллайдерах. Новая работа представляет собой первое измерение квантовой запутанности между спинами пары Z‑бозонов.
Исследованные Z‑бозоны возникали при распаде бозона Хиггса. Бозон Хиггса распадался на Z‑бозон и виртуальный Z‑бозон, которые затем распадались на пары электронов или мюонов. Для анализа использовали данные протон‑протонных столкновений, зарегистрированных ATLAS при энергиях в системе центра масс 13 и 13,6 триллиона электронвольт.
Хотя Z‑бозоны существуют чрезвычайно недолго, детектор ATLAS способен точно регистрировать оставшиеся после их распада электроны и мюоны. По угловому распределению этих частиц исследователи измеряли величины, связанные с матрицей плотности спинового состояния исходной пары Z‑бозонов.
Непосредственно измеренные коэффициенты, чувствительные к запутанности, соответствовали предсказаниям Стандартной модели. Дополнительный анализ полного углового распределения обладал большей чувствительностью, хотя и опирался на несколько предположений Стандартной модели о распадах. Он отверг гипотезу разделимого, незапутанного состояния с уровнем значимости 4,7 стандартного отклонения по сравнению с запутанным состоянием, предсказываемым Стандартной моделью. Это даёт убедительные свидетельства запутанности массивных бозонов.
Результат расширяет исследования квантовой запутанности на коллайдерах на новую систему электрослабого масштаба. Ранее эксперименты ATLAS и CMS уже обнаружили запутанность пар топ‑кварков, самых тяжёлых из известных элементарных частиц.
Работа также относится к развивающемуся направлению физики, в котором методы квантовой теории информации применяют к физике элементарных частиц. Такие подходы могут дать новые способы анализа данных коллайдеров и поиска тонких отклонений от Стандартной модели.
Модернизированные детекторы и Большой адронный коллайдер высокой светимости HL‑LHC (проект модернизации БАК) должны предоставить значительно больше данных для будущих исследований квантовых явлений при высоких энергиях.
