Физики впервые получили веские доказательства квантовой запутанности между двумя Z-бозонами, возникающими при распаде бозона Хиггса. Анализ данных детектора ATLAS на Большом адронном коллайдере показал, что спины этих частиц нельзя описать как независимые состояния. Вероятность получить наблюдаемый результат без запутанности соответствует отклонению в 4,7 стандартного отклонения.

Результат переносит квантовую запутанность в область сверхвысоких энергий, где частицы существуют доли секунды. Раньше запутанность изучали главным образом с фотонами, электронами и атомами. На коллайдере удалось выявить подобные корреляции у самых тяжёлых элементарных частиц.

В исследовании коллаборация ATLAS проанализировала распад H→ZZ*→4ℓ. Бозон Хиггса превращается в пару Z-бозонов, один из них рождается вне своей массовой оболочки. Каждый Z-бозон распадается на пару заряженных лептонов — электронов или мюонов. По четырём частицам в детекторе восстанавливается информация о спинах исходной пары.

Особенность Z-бозона в том, что его спин равен 1. Вдоль выбранного направления возможны три проекции спина: +1, 0 и −1. Это делает пару Z-бозонов значительно более сложной системой, чем привычная пара запутанных фотонов.

Бозон Хиггса имеет нулевой спин. Законы сохранения ограничивают допустимые сочетания поляризаций двух Z-бозонов. Квантовая механика предсказывает между их спинами корреляции, которые невозможно получить простой смесью независимых состояний. Физики искали эти связи в углах разлёта продуктов распада.

Анализ использовал данные протон-протонных столкновений при энергиях 13 и 13,6 ТэВ, собранные на двух этапах работы коллайдера. Измеренные элементы матрицы плотности совпали с предсказаниями Стандартной модели. Проверка угловой картины позволила сравнить запутанное состояние с вариантом, где два Z-бозона описываются независимо.

Незапутанный вариант оказался хуже согласован с наблюдениями на уровне 4,7 сигма при ожидаемых 4,9. В физике частиц пороговым значением открытия служат пять стандартных отклонений, поэтому авторы говорят о сильном свидетельстве, а не об окончательном наблюдении. Наиболее чувствительный тест опирается на несколько предположений Стандартной модели о распаде Хиггса.

Это первое сильное свидетельство запутанности между двумя массивными векторными бозонами. ATLAS и CMS ранее наблюдали квантовую запутанность топ-кварка и антикварка с достоверностью выше пяти сигма. Новый анализ показывает, что коллайдер работает не только как инструмент для поиска частиц и измерения их свойств, но и как лаборатория для проверки фундаментальных свойств квантовой механики.

Распады бозона Хиггса удобны для таких экспериментов. Четыре электрона или мюона позволяют точно восстановить геометрию события и проследить спиновые корреляции исходной пары Z-бозонов. С ростом статистики этот подход позволит точнее проверять структуру квантовых состояний и искать отклонения от Стандартной модели, которые изменили бы картину запутанности.