Фізики вперше виявили квантову заплутаність між бозонами Хіггса

Фізики колаборації ATLAS на Великому адронному колайдері вперше зафіксували квантову заплутаність між двома бозонами Хіггса — точніше, між парою Z‑бозонів, що виникають під час розпаду бозона Хіггса. Результат підтверджує: один із найдивніших ефектів квантової механіки діє навіть серед важких і вкрай короткоживучих частинок, народжених у зіткненнях при колосальних енергіях.

Квантова заплутаність означає, що стани двох частинок виявляються нерозривно пов’язані — вимірюючи одну, ми автоматично дізнаємося щось про іншу. Саме цей феномен Альберт Ейнштейн колись назвав «моторошною дією на відстані» і довго відмовлявся сприймати всерйоз.

До недавнього часу заплутаність детально вивчали на фотонах, електронах та атомах. Однак у 2023 році ATLAS вже виявив її ознаки між парами топ-кварків. Тепер вчені зробили наступний крок — вперше провели таке вимірювання для Z‑бозонів, які з’являються після розпаду бозона Хіггса.

Для аналізу використовували дані зіткнень протонів, зареєстровані детектором ATLAS при енергіях 13 і 13,6 тераелектронвольта. Відбиралися події, де бозон Хіггса розпадався на два Z‑бозони, а ті своєю чергою перетворювалися на чотири заряджені частинки — електрони або мюони. Самі Z‑бозони живуть лише близько 10⁻²⁵ секунди, тому їхні властивості відновлювали опосередковано — за напрямками руху та енергіями продуктів розпаду.

Головна увага була зосереджена на спінах Z‑бозонів. Якщо вони перебувають у заплутаному стані, кути вильоту електронів і мюонів мають демонструвати специфічні кореляції, яких не виникло б за незалежної поведінки частинок. Саме такі кореляції і були виявлені — дані чудово узгоджуються з передбаченнями Стандартної моделі.

Статистична значущість результату сягнула 4,7 стандартного відхилення. У фізиці елементарних частинок це вважається вагомим свідченням на користь ефекту, хоча офіційний поріг «відкриття» традиційно становить 5 сигма. Маса Z‑бозона — близько 91 гігаелектронвольта — робить цей результат особливо примітним: квантовий зв’язок між настільки важкими частинками залишає помітний слід навіть у продуктах їхнього миттєвого розпаду.

Надалі точність таких вимірювань суттєво зросте. Після переходу Великого адронного колайдера до режиму високої світності ATLAS накопичить значно більше подій із розпадом бозона Хіггса. Це дасть змогу шукати малі відхилення від Стандартної моделі — і якщо вони знайдуться, це може вказати на досі невідомі фізичні процеси.