ATLAS vindt verstrengelde Z-bosonen

Wanneer een Higgsboson vervalt in twee Z-bosonen, die elk op hun beurt uiteenvallen in een paar elektronen of muonen, waaieren die vier deeltjes door de detector. De Z-bosonen zijn dan al verdwenen. De hoeken tussen de vier overgebleven leptonen bevatten wel informatie over de kwantumrelatie tussen de twee tussenliggende deeltjes die ze hebben voortgebracht. De ATLAS-samenwerking bij CERN heeft nu sterk bewijs gevonden dat die relatie verstrengeld is: de spintoestanden van de twee Z-bosonen kunnen niet onafhankelijk van elkaar worden beschreven. Het resultaat, gepubliceerd in Physical Review Letters op 11 september 2026, is de eerste gerichte meting van spinverstrengeling tussen een paar Z-bosonen dat bij Higgsverval is ontstaan (arXiv).

Een kwantumtoestand reconstrueren uit de brokstukken

Verstrengelingsexperimenten vinden meestal plaats met fotonen op een laboratoriumtafel, waar onderzoekers bepalen wat wanneer wordt gemeten. Een deeltjesversneller werkt anders. De Z-bosonen vervallen voordat ze een onderdeel van de detector bereiken. ATLAS registreerde alleen de sporen en energieën van vier geladen leptonen die voortkwamen uit proton-protonbotsingen in de Large Hadron Collider.

De polarisatie van elk Z-boson, de oriëntatie van zijn kwantumspin, veroorzaakt een herkenbaar patroon in de richtingen waarin zijn twee dochterleptonen bewegen. Door verschillende hoekverdelingen in veel botsingen te analyseren, waaronder de onderlinge oriëntatie van de twee vervalvlakken (denk aan het platte vlak dat elk leptonpaar bepaalt), onderzochten natuurkundigen of een ‘scheidbaar’ model de gegevens kon verklaren. In zo’n model is de spintoestand van elk Z-boson volledig onafhankelijk van die van het andere. Als dat model tekortschiet, is de gezamenlijke toestand verstrengeld.

Het gaat om een statistische toets. Geen enkele botsing laat op zichzelf verstrengeling zien. Het beeld ontstaat uit honderden gebeurtenissen, en meer dan dat waren er nauwelijks. ATLAS combineerde botsingsgegevens uit Run 2 (2015–2018) en de eerste drie jaar van Run 3 (2022–2024). Toch is het verval in vier leptonen zo zeldzaam dat na de selectie slechts ongeveer 400 kandidaat-gebeurtenissen overbleven (ATLAS briefing). Ondanks die kleine steekproef wezen de gegevens de hypothese van een scheidbare toestand met sterke statistische significantie af.

Waarom Z-bosonen dit moeilijk en interessant maken

Een Z-boson heeft spin 1. Dat betekent dat zijn spin langs elke as drie mogelijke oriëntaties heeft. Natuurkundigen noemen zo’n deeltje daarom een qutrit, naar analogie van de qubit van deeltjes met spin ½. Twee Z-bosonen beslaan samen een negendimensionale spinruimte. Het Higgsboson heeft spin nul, waardoor sterk wordt beperkt hoe die negen dimensies kunnen worden gevuld. De kwantummechanica van het verval voorspelt een specifieke gezamenlijke superpositie waarvan de correlaties door geen enkele combinatie van onafhankelijke Z-bosontoestanden kunnen worden nagebootst. Die onscheidbaarheid was precies de eigenschap die ATLAS wilde testen.

Er is wel een complicatie. Het Higgsboson heeft een massa van ongeveer 125 GeV, terwijl voor de productie van twee Z-bosonen met hun normale massa ongeveer 182 GeV nodig is. Daarom wordt een van de Z-bosonen doorgaans ‘off-shell’ geproduceerd, met een massa onder zijn normale waarde. De analyse houdt daarmee rekening en gebruikt de volledige kinematica van de vier leptonen, in plaats van uit te gaan van twee zuivere Z-deeltjes.

ATLAS mat rechtstreeks twee hoekcoëfficiënten die gevoelig zijn voor verstrengeling. Met de huidige dataset blijven de onzekerheden rond die coëfficiënten groot. De metingen zijn binnen die onzekerheden in overeenstemming met het Standaardmodel: de kwantumcorrelaties komen overeen met de voorspelling. Voor een nauwkeuriger meting is wel meer data nodig.

Een nieuwe meetgrootheid voor onderzoek naar het Higgsboson

De wetenschappelijke waarde ligt in een nieuwe manier om een van de belangrijkste wisselwerkingen in de deeltjesfysica te bestuderen: de koppeling tussen het Higgsboson en het Z-boson. Die koppeling is essentieel voor de manier waarop het Z-boson zijn massa krijgt door de breking van de elektrozwakke symmetrie, het mechanisme dat de zwakke kernkracht haar structuur geeft.

Als nog onbekende deeltjes of krachten deze koppeling subtiel veranderen, zouden ook de polarisatiecorrelaties tussen de twee Z-bosonen verschuiven. ATLAS heeft nu laten zien dat deze correlaties uit echte gegevens zijn af te leiden. Daarmee ontstaat een nieuwe onderzoeksmogelijkheid die toekomstige, grotere datasets met meer precisie kunnen benutten. Vooralsnog houden de voorspellingen van het Standaardmodel stand. De meting van verstrengeling heeft een abstracte kwantumeigenschap omgezet in iets dat bij de hoogste botsingsenergieën experimenteel toegankelijk is.