Детектор ATLAS на Большом адронном коллайдере измерил запутанность спинов пары Z-бозонов, рождающихся при распаде бозона Хиггса. Самый чувствительный тест исключил незапутанную модель с вероятностью 4,7 стандартного отклонения. Авторы работы называют это первым измерением запутанности между двумя массивными векторными бозонами на электрослабой шкале энергий.

Z-бозон обладает спином 1, то есть может находиться в трёх спиновых состояниях: +1, 0 и −1. В квантовой информатике такую трёхуровневую систему называют кутритом в отличие от двухуровневого кубита. Здесь кутрит — просто удобный математический язык для описания состояния элементарной частицы, не инструмент квантовых вычислений.

Бозон Хиггса имеет нулевой спин. Два Z-бозона из его распада не могут получить произвольную комбинацию спинов, но квантовая механика позволяет им образовать единое неразделимое состояние через суперпозицию. Полное пространство спиновых конфигураций для такой пары содержит девять вариантов, хотя в распаде Хиггса доминируют три из них.

Масса Хиггса меньше удвоенной массы Z-бозона, поэтому при распаде H→ZZ* минимум один Z-бозон остаётся виртуальным — не соответствует обычной массовой оболочке. Оба затем распадаются на заряженные лептоны: четыре электрона, четыре мюона либо электрон с мюоном. Направления разлёта лептонов сохраняют информацию о поляризации Z-бозона, которую напрямую измерить невозможно.

Анализ объединил данные с 2015 по 2024 год — 140 фб⁻¹ при 13 ТэВ и 164 фб⁻¹ при 13,6 ТэВ. Из событий отбирались те, где восстановленная масса четырёх лептонов совпадала с массой бозона Хиггса.

ATLAS вычислил два коэффициента спиновой матрицы, чувствительных к запутанности: −0,71 ± 0,45 и 0,08 ± 0,44. Значения согласуются со Стандартной моделью, но статистические неопределённости велики, и одних средних недостаточно для твёрдого вывода.

Второй метод дал более убедительный результат. Вместо двух усреднённых коэффициентов использовали полное угловое распределение лептонов и сравнили запутанное состояние Стандартной модели с незапутанным вариантом, где оба Z-бозона продольно поляризованы. При учёте всех неопределённостей незапутанная модель несовместима с данными на уровне 4,7 σ при ожидаемых 4,9 σ.

Есть важная оговорка. Значимость 4,7 σ не означает универсального опровержения всех возможных незапутанных состояний. Проверка опирается на уже известные свойства Хиггса, стандартное описание слабого взаимодействия и характеристики распада Z-бозонов. Это не тест неравенств Белла и не сравнение квантовой механики с альтернативными теориями. Авторы говорят о сильных свидетельствах, а не об окончательном наблюдении с традиционным порогом 5 σ.

Коллайдеры ранее изучали запутанность топ-кварков похожим методом, но топ-кварк со спином 1/2 — двухуровневая система. Z-бозоны добавляют третье спиновое состояние, позволяя исследовать более сложную структуру квантовых корреляций в фундаментальных взаимодействиях.

Измерения пока не показали отклонений от Стандартной модели. Ценность метода в том, что спиновая квантовая томография даёт новый способ проверять взаимодействие Хиггса с Z-бозонами и ловить небольшие аномалии, которые могли бы указывать на неизвестные частицы или поля. Полные данные третьего этапа БАК и будущий коллайдер высокой светимости должны значительно снизить статистические ошибки.