ATLAS aptiko kvantiškai susietus Z bozonus

Kai Higso bozonas suskyla į du Z bozonus, o kiekvienas iš jų – į elektronų arba miuonų porą, keturios dalelės detektoriuje išsisklaido į išorę. Z bozonai tuo metu jau būna suskilę. Tačiau kampai tarp šių keturių leptonų judėjimo krypčių išsaugo informaciją apie dviejų tarpinių dalelių, iš kurių jie susidarė, kvantinį ryšį. CERN veikiančio ATLAS eksperimento tyrėjai pateikė tvirtų įrodymų, kad šie Z bozonai kvantiškai susieti: jų sukinio savybių neįmanoma aprašyti atskirai. 2026 m. rugsėjo 11 d. žurnale Physical Review Letters paskelbtas tyrimas – pirmasis specialiai Higgso bozonui skylant susidariusios Z bozonų poros spinų kvantinio susietumo matavimas (arXiv).

Kvantinės būsenos atkūrimas iš skilimo produktų

Kvantinio susietumo eksperimentai paprastai atliekami su fotonais ant laboratorinio stendo, kur tyrėjai kontroliuoja, kas ir kada matuojama. Dalelių greitintuve viskas vyksta kitaip. Z bozonai suskyla dar nepasiekę nė vieno detektoriaus elemento. ATLAS užregistravo tik per protonų susidūrimus Didžiajame hadronų greitintuve išlekiančių keturių elektrinį krūvį turinčių leptonų pėdsakus ir energijas.

Kiekvieno Z bozono poliarizacija, nusakanti jo kvantinio sukinio orientaciją, sukuria būdingą schemą, pagal kurią juda dvi iš jo susidariusios dalelės. Analizuodami įvairius kampinius skirstinius daugelyje susidūrimų, įskaitant santykinę dviejų skilimo plokštumų orientaciją (įsivaizduokite plokštumą, kurią apibrėžia kiekviena leptonų pora), fizikai tikrino, ar duomenis galima paaiškinti modeliu, kuriame Z bozonų būsenos atskiriamos. Toks modelis numato, kad kiekvieno Z bozono sukinio būsena visiškai nepriklauso nuo kito Z bozono būsenos. Jei modelis nepasitvirtina, bendra būsena laikoma kvantiškai susieta.

Tai statistinis vertinimas. Nė vienas pavienis susidūrimas kvantinio susietumo neatskleidžia. Vaizdas susidaro iš šimtų įvykių, o jų surinkta tik keli šimtai. ATLAS sujungė 2-ojo etapo (Run 2, 2015–2018 m.) ir pirmųjų trejų 3-iojo etapo (Run 3, 2022–2024 m.) metų protonų susidūrimų duomenis, tačiau keturių leptonų kanalas toks retas, kad atranką praėjo tik apie 400 kandidatinių įvykių (ATLAS apžvalga). Nepaisant mažos imties, duomenys su dideliu statistiniu reikšmingumu atmetė hipotezę, kad būsenos yra atskiros.

Kodėl Z bozonų tyrimas sudėtingas ir įdomus

Z bozono sukinys lygus 1, todėl jo būsena, vertinama pagal bet kurią pasirinktą ašį, gali turėti tris galimas orientacijas. Fizikai tokią trijų būsenų sistemą vadina qutritu, pagal analogiją su kubitu, apibūdinančiu sukinio ½ daleles. Du Z bozonai kartu aprašomi devynių matmenų sukinio erdve. Higso bozono nulinis sukinys griežtai riboja, kaip šioje erdvėje gali pasiskirstyti būsenos. Kvantinė skilimo mechanika numato konkrečią bendrą superpoziciją, kurios koreliacijų neįmanoma atkurti jokiu nepriklausomų Z bozonų būsenų mišiniu. Būtent šį būsenų neatskiriamumą ATLAS siekė patikrinti.

Tyrimą apsunkina tai, kad Higso bozono masė siekia apie 125 GeV, o dviem įprastos masės Z bozonams sukurti reikėtų maždaug 182 GeV. Todėl vienas iš Z bozonų paprastai būna virtualus, vadinamojoje „off-shell“ būsenoje, o jo invariantinė masė mažesnė už įprastą Z bozono masę. Analizėje į tai atsižvelgta naudojant visą keturių leptonų sistemos kinematiką, o ne darant prielaidą, kad susidarė dvi tiksliai apibrėžtos Z dalelės.

ATLAS tiesiogiai išmatavo du kvantiniam susietumui jautrius kampinius koeficientus. Esant dabartiniam duomenų rinkiniui, šių koeficientų neapibrėžtys tebėra didelės. Matavimai, įvertinus šias neapibrėžtis, dera su Standartiniu modeliu: kvantinės koreliacijos atitinka jo prognozes, tačiau didesniam tikslumui reikės daugiau duomenų.

Naujas Higgso bozono tyrimo rodiklis

Šio rezultato vertė fundamentinė: jis suteikia naują būdą tirti vieną iš pagrindinių dalelių fizikos sąveikų, Higgso ir Z bozonų sąveiką. Ši sąveika svarbi Z bozono masei atsirasti elektrosilpnosios simetrijos suardymo procese; tas pats mechanizmas lemia silpnosios branduolinės sąveikos sandarą.

Jei dar neatrastos dalelės ar jėgos subtiliai pakeistų šią sąveiką, pasikeistų ir dviejų Z bozonų poliarizacijų koreliacijos. ATLAS parodė, kad šias koreliacijas galima nustatyti iš realių eksperimentinių duomenų, todėl ateityje didesnės duomenų imtys leis jas išmatuoti tiksliau. Kol kas Standartinio modelio prognozės tebėra suderinamos su matavimais. Kvantinio susietumo matavimas abstrakčią kvantinę savybę pavertė eksperimentiškai prieinamu tyrimo objektu didžiųjų energijų dalelių fizikoje.