ATLAS berichtet Evidenz für die Verschränkung eines realen und eines virtuellen Z-Bosons aus einem Higgs-Zerfall. Verschränkung bedeutet, dass sich der gemeinsame Quantenzustand der beiden Teilchen nicht als zwei unabhängige Zustände beschreiben lässt. Ihre Messergebnisse können korreliert sein, ermöglichen aber keine steuerbare Nachrichtenübermittlung schneller als Licht.
Warum bei diesem Higgs-Zerfall ein Z-Boson virtuell ist
Die Masse des Higgs-Bosons beträgt ungefähr 125 GeV. Zwei reale Z-Bosonen kämen zusammen auf rund 182 GeV, denn ein reales Z-Boson hat eine Masse von etwa 91 GeV. Für den beschriebenen Higgs-Zerfall wird deshalb ein Paar aus einem realen und einem virtuellen Z-Boson betrachtet. Das virtuelle Z-Boson wird nicht direkt nachgewiesen; seine Eigenschaften lassen sich aus den Zerfallsprodukten erschließen.
Wie ATLAS die Verschränkung rekonstruiert
Beide Z-Bosonen zerfallen, bevor sie den Detektor erreichen. Das reale Z-Boson hat eine Lebensdauer von ungefähr 3 × 10⁻²⁵ Sekunden. ATLAS untersucht Zerfälle, bei denen jedes Z-Boson in ein Elektronenpaar oder ein Myonenpaar zerfällt. Aus den Richtungen dieser vier geladenen Leptonen rekonstruieren die Forschenden die Eigenschaften der Z-Bosonen und untersuchen, ob deren Quantenzustände verschränkt sind.
Studienmitautor Juan Antonio Aguilar-Saavedra nennt im spanischsprachigen Video des Instituto de Física Teórica IFT ungefähr ein Ereignis mit vier Leptonen pro 10.000 Higgs-Ereignisse. Der seltene Kanal liefert die Zerfallsprodukte, aus denen ATLAS die Eigenschaften der Z-Bosonen erschließt.
Was die berichteten 4,7σ aussagen
Die berichtete Signifikanz beträgt 4,7 Standardabweichungen (σ) gegen die Hypothese, dass keine Verschränkung vorliegt. In der Teilchenphysik gilt 5σ traditionell als Schwelle, um ein Ergebnis als Beobachtung zu bezeichnen. Der ATLAS-Befund liegt darunter und wird als starke Evidenz eingeordnet.
Warum ein Z-Boson als Qutrit gilt
Ein Z-Boson hat Spin 1 und kann drei Spin-Zustände annehmen. In der Quanteninformation heißt ein System mit drei möglichen Zuständen Qutrit; ein Qubit hat dagegen zwei Zustände. Der ATLAS-Befund wird als erste Evidenz für Verschränkung zwischen Qutrits aus Elementarteilchen beschrieben.
Die Eigenschaften des virtuellen Z-Bosons werden bei dieser Analyse indirekt rekonstruiert. Der Befund beantwortet nicht die philosophische Frage, ob virtuelle Teilchen als eigenständige Objekte existieren.
