ATLAS откри квантово заплитане между Z бозони

Когато бозон на Хигс се разпадне на два бозона Z, а всеки от тях на двойка електрони или мюони, четирите частици се разлитат през детектора. Самите бозони Z вече са изчезнали. Ъглите между четирите оцелели лептона обаче носят информация за квантовата връзка между двата посредника, породили тези частици. Сътрудничеството АТЛАС в ЦЕРН откри убедителни доказателства, че тази връзка е заплетена: спиновите свойства на двата бозона Z не могат да бъдат описани независимо един от друг. Резултатът, публикуван в Physical Review Letters на 11 септември 2026 г., е първото специално измерване на спиново заплитане между двойка бозони Z, породени при разпад на бозон на Хигс (arXiv).

Извеждане на квантово състояние от разпадните продукти

Експериментите с квантово заплитане обикновено използват фотони в лаборатория, където изследователите контролират какво и кога измерват. При ускорителите на частици условията са други. Бозоните Z се разпадат, преди да достигнат който и да е елемент от детектора. АТЛАС регистрира само следите и енергиите на четирите заредени лептона, излитащи от сблъсъци между протони в Големия адронен колайдер.

Поляризацията на всеки бозон Z, тоест ориентацията на квантовия му спин, определя характерен модел в посоките, в които се движат двата лептона от разпада му. Като анализираха няколко ъглови разпределения в много сблъсъци, включително относителната ориентация на двете равнини на разпад (представете си плоскостта, определена от всяка двойка лептони), физиците провериха дали данните могат да бъдат възпроизведени от „разделим“ модел. При него спиновото състояние на всеки бозон Z е напълно независимо от това на другия. Ако моделът не успее да опише данните, съвместното състояние е заплетено.

Проверката е статистическа: нито един сблъсък сам по себе си не показва заплитане. Изводът се оформя от стотици събития, а наличните събития са били само толкова. АТЛАС обедини данните от втория работен период на Големия адронен колайдер (2015–2018) и първите три години от третия (2022–2024), но каналът с четири лептона е толкова рядък, че селекцията е оставила само около 400 кандидатни събития (Брифинг на АТЛАС). Въпреки малката извадка данните отхвърлиха хипотезата за разделими състояния с висока статистическа значимост.

Защо бозоните Z правят измерването трудно и интересно

Бозонът Z има спин 1, което означава, че по дадена ос спинът му може да има три възможни проекции. Физиците наричат такава тримерна квантова система кутрит, по аналогия с кубита при частиците със спин ½. Два бозона Z заедно заемат деветмерно спиново пространство. Нулевият спин на бозона на Хигс силно ограничава начина, по който състоянието може да се разпредели в тези девет измерения. Квантовата механика на разпада предсказва конкретна съвместна суперпозиция, чиито корелации не могат да бъдат възпроизведени от смес от независими състояния на бозоните Z. Именно тази неразделимост АТЛАС си постави за цел да провери.

Анализът има допълнително усложнение: масата на бозона на Хигс е около 125 гигаелектронволта, докато производството на два бозона Z с обичайната им маса би изисквало приблизително 182 гигаелектронволта. Затова единият бозон Z обикновено се произвежда извън масовата обвивка, с инвариантна маса под стандартната. Анализът отчита това, като използва пълната кинематика на четирите лептона, вместо да приема наличието на два ясно идентифицирани бозона Z.

АТЛАС измери пряко два ъглови коефициента, чувствителни към заплитането. При сегашния набор от данни неопределеностите по тези коефициенти остават големи. Измерванията са в съгласие със Стандартния модел в рамките на тези неопределености: квантовите корелации изглеждат точно такива, каквито предвижда моделът, но за по-висока точност ще са нужни повече данни.

Нова наблюдаема величина за изследване на бозона на Хигс

Резултатът няма непосредствено приложение като квантово устройство. Научната му стойност е в новия начин да се изследва една от ключовите връзки във физиката на частиците: тази между бозона на Хигс и бозона Z. Тя е важна за начина, по който бозонът Z придобива маса чрез нарушаването на електрослабата симетрия, механизма, който придава структура на слабото ядрено взаимодействие.

Ако все още неоткрити частици или сили променят дори слабо тази връзка, корелациите между поляризациите на двата бозона Z биха се изместили. АТЛАС показа, че тези корелации могат да бъдат извлечени от реални данни, с което отвори път за по-прецизни измервания при бъдещи, по-големи набори от данни. Засега прогнозите на Стандартния модел се потвърждават. Измерването на заплитането превърна абстрактно квантово свойство в експериментално достъпна величина при най-високите енергии във физиката на частиците.