ATLAS rileva l’entanglement dei bosoni Z

Quando un bosone di Higgs decade in due bosoni Z, ciascuno dei quali si divide a sua volta in una coppia di elettroni o muoni, le quattro particelle si allontanano a ventaglio nel rivelatore. I bosoni Z sono ormai scomparsi, ma gli angoli formati dai quattro leptoni sopravvissuti conservano informazioni sul rapporto quantistico tra i due intermediari che li hanno generati. La collaborazione ATLAS del CERN ha ora trovato forti indizi che quel rapporto sia di entanglement: le proprietà di spin dei due bosoni Z non possono essere descritte indipendentemente l’una dall’altra. Il risultato, published in Physical Review Letters l’11 settembre 2026, è la prima misura dedicata dell’entanglement dello spin tra una coppia di bosoni Z prodotta nel decadimento dell’Higgs (arXiv).

Ricostruire uno stato quantistico dai suoi frammenti

Gli esperimenti sull’entanglement riguardano di solito fotoni su un banco di laboratorio, dove i ricercatori controllano che cosa misurare e in quale momento. In un collisore di particelle le condizioni sono diverse: i bosoni Z decadono prima di raggiungere qualsiasi elemento del rivelatore, perciò ATLAS ha registrato soltanto le tracce e le energie dei quattro leptoni carichi emessi nelle collisioni tra protoni del Large Hadron Collider.

La polarizzazione di ciascun bosone Z, cioè l’orientamento del suo spin quantistico, imprime uno schema caratteristico nelle direzioni seguite dai due leptoni figli. Analizzando diverse distribuzioni angolari su molte collisioni, compreso l’orientamento relativo dei due piani di decadimento, ossia delle superfici piane definite da ciascuna coppia di leptoni, i fisici hanno verificato se i dati potessero essere descritti da un modello «separabile». In questo modello lo stato di spin di ciascun bosone Z è del tutto indipendente da quello dell’altro; se il modello non funziona, lo stato congiunto presenta entanglement.

La verifica è statistica: nessuna collisione, presa singolarmente, rivela l’entanglement. Il quadro emerge da centinaia di eventi, e non erano che poche centinaia. ATLAS ha combinato i dati di collisione del Run 2 (2015–2018) e dei primi tre anni del Run 3 (2022–2024), ma il canale con quattro leptoni è così raro che, dopo la selezione, sono rimasti soltanto circa 400 eventi candidati (ATLAS briefing). Nonostante il campione ridotto, i dati hanno respinto l’ipotesi separabile con una significatività statistica elevata.

Perché i bosoni Z rendono la misura difficile e interessante

Il bosone Z ha spin 1, quindi il suo spin può assumere tre orientamenti lungo un asse qualunque (i fisici parlano di qutrit, per analogia con il qubit delle particelle di spin ½). Insieme, due bosoni Z occupano uno spazio di spin a nove dimensioni. Poiché il bosone di Higgs ha spin nullo, le possibilità di popolare quelle nove dimensioni sono fortemente vincolate. La meccanica quantistica del decadimento prevede una specifica sovrapposizione congiunta, le cui correlazioni non possono essere riprodotte da alcuna miscela di stati indipendenti dei bosoni Z. È proprio questa inseparabilità che ATLAS ha cercato di verificare.

C’è però una difficoltà: l’Higgs ha una massa di circa 125 GeV, mentre produrre due bosoni Z alla loro massa normale richiederebbe circa 182 GeV. Per questo, di norma, uno dei due bosoni viene prodotto «off-shell», cioè con una massa inferiore a quella standard. L’analisi tiene conto della complicazione e utilizza l’intera cinematica dei quattro leptoni, senza presumere di avere davanti due bosoni Z perfettamente definiti.

ATLAS ha misurato direttamente due coefficienti angolari sensibili all’entanglement. Con il campione attuale, le incertezze su questi coefficienti restano ampie. Entro tali margini, le misure sono compatibili con il Modello standard: le correlazioni quantistiche appaiono esattamente come previsto, ma per una precisione maggiore serviranno più dati.

Un nuovo osservabile per studiare l’Higgs

Il risultato appartiene alla fisica fondamentale e offre un nuovo modo di studiare una delle interazioni più rilevanti della fisica delle particelle: l’accoppiamento tra il bosone di Higgs e il bosone Z. Questo accoppiamento è centrale per il modo in cui il bosone Z acquisisce la massa attraverso la rottura della simmetria elettrodebole, il meccanismo che dà struttura alla forza nucleare debole.

Se particelle o forze ancora sconosciute modificassero anche solo lievemente questo accoppiamento, cambierebbero le correlazioni di polarizzazione tra i due bosoni Z. ATLAS ha dimostrato che è possibile estrarre queste correlazioni dai dati sperimentali, aprendo così un canale che campioni futuri più ampi potranno sfruttare con maggiore precisione. Per ora, le previsioni del Modello standard reggono. La misura dell’entanglement ha reso una proprietà quantistica astratta accessibile agli esperimenti alla frontiera delle alte energie.