Обычно квантовую запутанность изучают на фотонах, атомах или ионах. На Большом адронном коллайдере объект куда менее удобный: Z-бозон распадается почти сразу после рождения.[1] Физикам достаётся не сама частица, а то, что от неё осталось в детекторе.

Цепочка выглядит так. Протоны сталкиваются при энергии 13 или 13,6 тераэлектронвольта. В редких случаях рождается бозон Хиггса, затем два Z-бозона, а после них остаются четыре заряженные частицы.[2][4] 17 сентября CERN сообщил, что и ATLAS, и CMS увидели в таких событиях признаки квантовой запутанности между Z-бозонами.[1] Работу ATLAS опубликовал рецензируемый журнал Physical Review Letters 11 сентября. Анализ CMS пока предварительный.[2][4]

Два состояния или одна система?

Два отдельных «паспорта» для такой пары не составить. Квантовое состояние приходится задавать сразу для обоих Z-бозонов.[2] Измеряют их по отдельности, но результаты оказываются связаны. Выбранная модель независимых состояний такую связь не воспроизводит.[2][6]

Никаких мгновенных команд между частицами при этом нет. Запутанность не позволяет послать сообщение быстрее света. И детектор не показывает её в одном красивом событии. Нужный рисунок появляется в статистике, когда физики сводят вместе множество столкновений.[2][3]

Роль спина здесь вполне конкретна. Z-бозон переносит слабое взаимодействие, имеет спин 1 и три возможные проекции на выбранную ось: −1, 0 и +1.[1][3] У исходного бозона Хиггса спин 0. Поэтому состояния двух Z-бозонов, родившихся при его распаде, должны согласоваться.[1][3] По расчётам Стандартной модели получается общая запутанная система, а не случайное совпадение двух заранее заданных спинов.[2][3]

Четыре следа вместо двух частиц

Увидеть Z-бозон напрямую почти невозможно: он исчезает слишком быстро.[1] Зато детектор регистрирует более стойкие продукты распада.[1][6] В выбранном канале каждый Z-бозон превращается в электрон-позитронную или мюон-антимюонную пару.[1][2] Вместо двух исходных частиц остаются четыре траектории. Их направления и дают материал для анализа.[3][6]

Концептуальная схема распада бозона Хиггса на два Z-бозона и четыре заряженных лептона
Как физики восстанавливают распад: два короткоживущих Z-бозона оставляют четыре траектории электронов или мюонов. Концептуальная иллюстрация, созданная с помощью ИИ для ЦарьХита.

По углам разлёта физики восстанавливают поляризацию Z-бозонов.[1][6] Дальше начинается сравнение двух описаний. Первое допускает запутанное состояние, предсказанное Стандартной моделью. Второе считает состояние пары разделимым.[2][3]

ATLAS взял данные второго запуска коллайдера при 13 ТэВ и часть данных третьего запуска при 13,6 ТэВ.[2] Параметры спиновых корреляций совпали с расчётами Стандартной модели.[2][3] Самый чувствительный тест использовал полную картину углов. Он отверг выбранную незапутанную гипотезу на уровне 4,7 стандартного отклонения при ожидаемых 4,9.[2][3]

Что значит 4,7 сигма

Это сильное расхождение с проверяемой альтернативой, но до принятого в физике частиц порога открытия в пять сигма результат немного не дотянул. И есть ещё одна оговорка. Самый чувствительный тест опирается на несколько предположений Стандартной модели о распаде.[2] Поэтому формулировка авторов осторожна: сильное свидетельство, а не доказательство для любой возможной теории.[2]

Зачем понадобился CMS

ATLAS и CMS находятся в разных точках коллайдера и независимо записывают столкновения.[1] Детекторы устроены не одинаково, у каждого свои калибровки и методы анализа. Совпадение результатов снижает риск того, что за эффект приняли особенность одного прибора.

Но складывать две работы в одну цифру нельзя. ATLAS уже прошёл рецензирование, а результат CMS ещё предварительный.[2][4] CMS изучил 138 обратных фемтобарнов данных 2016–2018 годов и 62 обратных фемтобарна данных 2022–2023 годов. Энергия столкновений составляла 13 и 13,6 ТэВ.[4] Коллаборация восстановила поляризационную матрицу распада Хиггса и проверила, что она говорит о запутанности и неравенствах белловского типа.[4][6]

Итоги двух экспериментов согласуются, поэтому CERN и пишет о сильном свидетельстве. Но статистика, модельные предположения и статус публикаций у работ различаются.[1][2][4]

Родственный, но другой опыт

С экспериментами Белла этот анализ роднит проверка квантовых корреляций. Постановка, однако, другая. В тестах Белла установки разнесены, а настройки измерений выбирают так, чтобы отсечь объяснение заранее заданными скрытыми свойствами. На коллайдере этого сделать нельзя: Z-бозоны исчезают почти сразу, и их состояние восстанавливают по дочерним частицам.[6]

Поэтому здесь не доказывают «мгновенное действие на расстоянии». Физиков интересовало, остаётся ли запутанность заметной у тяжёлых нестабильных частиц на электрослабом масштабе энергий. В данных ATLAS она заметна. CMS пришёл к совместимому выводу своим способом.[1][2][4]

Что дальше

Спиновые корреляции дают дополнительный способ проверить, как бозон Хиггса взаимодействует с переносчиками слабой силы.[1][2] Сейчас измерения совпадают с расчётами Стандартной модели.[2][3] Если позже появится устойчивое расхождение, тогда уже придётся разбираться, чего не хватает в теории.[2]

Статистики пока мало: нужный распад редок. К тому же наиболее чувствительный тест зависит от предположений самой Стандартной модели.[2][3] С первой проблемой поможет коллайдер высокой светимости, который соберёт намного больше столкновений.[1][2] Для второй физикам понадобятся проверки, меньше привязанные к исходной модели.[2][3]

Результат уже расширил список частиц, на которых удаётся искать запутанность. Теперь в нём есть два короткоживущих Z-бозона, родившиеся при распаде одной частицы Хиггса.[1][2]

Источники

  1. CERN: Strong evidence for quantum entanglement between Z bosons
  2. Physical Review Letters: Measurements of Z-boson pair entanglement
  3. ATLAS: Higgs decays and Z-boson entanglement
  4. CMS-PAS-HIG-25-011
  5. Phys.org / University of Oxford: spooky quantum effect at LHC
  6. CMS: The tangled dance of Higgs boson decays