ATLAS wykrył splątanie bozonów Z

Gdy bozon Higgsa rozpada się na dwa bozony Z, a każdy z nich rozpada się następnie na parę elektronów lub mionów, cztery powstałe w ten sposób leptyony rozbiegają się w detektorze. Samych bozonów Z nie da się już zaobserwować. Informację o kwantowej relacji między nimi niosą jednak kąty, pod jakimi poruszają się leptyony. Współpraca ATLAS przy CERN przedstawiła mocne dowody, że bozony Z były splątane: ich własności spinowych nie dają się opisać niezależnie od siebie. Wynik, opublikowany w Physical Review Letters 11 września 2026 r., jest pierwszym dedykowanym pomiarem splątania spinowego pary bozonów Z powstałych w rozpadzie bozonu Higgsa (arXiv).

Odtwarzanie stanu kwantowego z pozostałości rozpadu

Doświadczenia ze splątaniem zwykle prowadzi się z fotonami na laboratoryjnym stole, gdzie badacze kontrolują, co i kiedy jest mierzone. Zderzacz cząstek działa inaczej: bozony Z rozpadają się, zanim dotrą do któregokolwiek elementu detektora. ATLAS zarejestrował wyłącznie ślady i energie czterech naładowanych leptonów powstałych w zderzeniach protonów w Wielkim Zderzaczu Hadronów.

Polaryzacja każdego bozonu Z, czyli orientacja jego spinu kwantowego, tworzy charakterystyczny układ kierunków, w których poruszają się dwa powstałe z niego leptony. Analizując wiele rozkładów kątowych w licznych zderzeniach, w tym wzajemne ustawienie dwóch płaszczyzn rozpadu — wyobraźmy sobie płaską powierzchnię wyznaczoną przez każdą parę leptonów — fizycy sprawdzili, czy dane można wyjaśnić „rozdzielnym” modelem. W takim modelu stan spinu każdego bozonu Z jest w pełni niezależny od stanu drugiego. Jeśli model nie odtwarza wyników, wspólny stan obu cząstek musi być splątany.

To test statystyczny. Pojedyncze zderzenie nie ujawnia splątania. Obraz powstaje dopiero z setek zdarzeń — a właśnie setki zdarzeń obejmowała dostępna próbka. ATLAS połączył dane ze zderzeń z drugiego okresu pracy LHC (2015–2018) oraz z pierwszych trzech lat trzeciego okresu (2022–2024), ale kanał z czterema leptonami jest tak rzadki, że po selekcji pozostało zaledwie około 400 zdarzeń kandydackich (briefing ATLAS). Mimo tak małej próbki dane odrzuciły hipotezę o rozdzielnym stanie z wysoką istotnością statystyczną.

Dlaczego bozony Z utrudniają pomiar, ale też czynią go interesującym

Bozon Z ma spin równy 1, więc jego spin może przyjmować trzy orientacje względem dowolnej osi. Fizycy nazywają taki układ qutrytem, przez analogię do kubitu opisującego cząstki o spinie równym ½. Dwa bozony Z zajmują wspólnie dziewięciowymiarową przestrzeń spinową. Spin bozonu Higgsa wynosi zero, co silnie ogranicza sposób, w jaki mogą być obsadzone te dziewięć wymiarów. Mechanika kwantowa rozpadu przewiduje konkretną wspólną superpozycję stanów, której nie da się odtworzyć za pomocą mieszaniny niezależnych stanów bozonów Z. Właśnie tę nierozdzielność ATLAS postanowił sprawdzić.

Analizę komplikuje fakt, że bozon Higgsa waży około 125 GeV, podczas gdy wytworzenie dwóch bozonów Z o ich zwykłej masie wymagałoby około 182 GeV. Jeden z bozonów Z powstaje więc zazwyczaj jako cząstka „wirtualna” — ma energię odpowiadającą masie mniejszej od standardowej. Analiza uwzględnia ten efekt i wykorzystuje pełny zestaw parametrów kinematycznych czterech leptonów, zamiast zakładać, że w zderzeniu powstały dwa idealnie określone bozony Z.

ATLAS bezpośrednio zmierzył dwa współczynniki kątowe wrażliwe na splątanie. Przy obecnym zbiorze danych ich niepewności wciąż są duże. Wyniki pozostają zgodne z Modelem Standardowym, co oznacza, że obserwowane korelacje kwantowe wyglądają dokładnie tak, jak przewiduje teoria. Większa precyzja będzie jednak wymagała dodatkowych danych.

Nowa obserwabla do badania bozonu Higgsa

Wartość tego wyniku nie polega na stworzeniu urządzenia kwantowego ani na bezpośrednim zastosowaniu technologicznym. Chodzi o nowy sposób badania jednego z najważniejszych oddziaływań w fizyce cząstek: sprzężenia między bozonem Higgsa a bozonem Z. To sprzężenie ma zasadnicze znaczenie dla mechanizmu, dzięki któremu bozon Z uzyskuje masę w wyniku złamania symetrii elektrosłabej — procesu nadającego strukturę oddziaływaniu słabemu.

Gdyby nieodkryte cząstki lub siły nieznacznie modyfikowały to sprzężenie, zmieniłyby się także korelacje polaryzacji obu bozonów Z. ATLAS pokazał, że można je wydobyć z rzeczywistych danych, tworząc podstawę do dokładniejszych pomiarów na większych zbiorach danych. Na razie przewidywania Modelu Standardowego pozostają zgodne z obserwacjami. Pomiar splątania sprawił, że abstrakcyjna własność kwantowa stała się dostępna eksperymentalnie przy energiach osiąganych w LHC.