Физики обнаружили квантовую запутанность между Z-бозонами на Большом адронном коллайдере
Физики коллаборации ATLAS на Большом адронном коллайдере получили убедительные данные в пользу квантовой запутанности между двумя Z-бозонами, возникающими при распаде бозона Хиггса. Результат показывает, что один из самых необычных эффектов квантовой механики сохраняется даже у тяжёлых и чрезвычайно короткоживущих частиц, которые рождаются в столкновениях при очень высоких энергиях.
Квантовая запутанность возникает, когда состояния двух или нескольких частиц оказываются связаны между собой и уже не могут быть полностью описаны независимо друг от друга. Измерение одной части такой системы позволяет получить информацию о другой. Именно это явление Альберт Эйнштейн когда-то назвал «жутким действием на расстоянии».
Ранее квантовую запутанность подробно изучали на фотонах, электронах, атомах и ионах. В последние годы физики начали искать её и среди элементарных частиц, возникающих в высокоэнергетических столкновениях. В 2023 году ATLAS уже обнаружил признаки запутанности между парами топ-кварков, а теперь исследователи впервые провели подобное измерение для пары Z-бозонов.
Для анализа использовали данные столкновений протонов, зарегистрированные детектором ATLAS при энергиях 13 и 13,6 тераэлектронвольта. Учёные отбирали события, в которых бозон Хиггса распадался на два Z-бозона, а те затем превращались в четыре заряженные частицы — электроны или мюоны.
Z-бозоны существуют всего около 10⁻²⁵ секунды, поэтому зарегистрировать их напрямую невозможно. Исследователи восстанавливали их свойства по направлениям движения и энергиям частиц, появившихся после распада.
Основное внимание было сосредоточено на спинах Z-бозонов. Если два бозона находятся в квантово-запутанном состоянии, направления вылета электронов и мюонов должны содержать определённые взаимосвязи, которых не возникло бы при полностью независимом поведении частиц.
Анализ показал, что наблюдаемые данные хорошо соответствуют предсказаниям Стандартной модели и значительно лучше объясняются запутанным состоянием двух Z-бозонов, чем вариантом, при котором их квантовые состояния не связаны.
Статистическая значимость результата достигла 4,7 стандартного отклонения. В физике элементарных частиц это считается очень весомым результатом, хотя немного не достигает принятого порога в 5 стандартных отклонений, после которого обычно говорят об открытии.
Результат особенно интересен из-за свойств самих Z-бозонов. Их масса составляет около 91 гигаэлектронвольта, а время жизни чрезвычайно мало. Несмотря на это, квантовая связь между двумя частицами оставляет достаточно заметный след в продуктах их распада, чтобы её можно было восстановить экспериментально.
Большой адронный коллайдер позволяет проверять квантовую механику в условиях, недоступных обычным лабораторным установкам. Здесь частицы сталкиваются при огромных энергиях, а взаимодействия происходят на расстояниях значительно меньше размеров атомного ядра.
Авторы считают, что такие измерения могут стать новым инструментом физики высоких энергий. Методы, разработанные в квантовой информатике, позволяют искать в данных коллайдеров сложные взаимосвязи между частицами, которые раньше почти не использовались для проверки фундаментальных законов природы.
В будущем точность подобных измерений должна заметно повыситься. После перехода Большого адронного коллайдера к режиму высокой светимости ATLAS получит значительно больше событий с распадом бозона Хиггса на Z-бозоны.
Это позволит точнее изучать квантовые состояния тяжёлых элементарных частиц и искать небольшие отклонения от предсказаний Стандартной модели. Если такие отклонения будут обнаружены, они могут указать на пока неизвестные физические процессы.
Исследование в журнале Physical Review Letters.