De ATLAS-samenwerking rapporteert aanwijzingen voor kwantumverstrengeling tussen een echte en een virtuele Z-boson die samenhangen met het verval van een Higgsboson. Verstrengeling betekent dat de kwantumtoestand van twee deeltjes niet kan worden beschreven als twee onafhankelijke toestanden. De gemelde significantie is 4,7σ: sterk bewijs, onder de gebruikelijke grens van 5σ voor een waarneming in de deeltjesfysica.
Hoe ATLAS de verstrengeling afleidt
Een virtuele Z-boson wordt niet rechtstreeks gedetecteerd. De verklaring zit in de massa’s: een Higgsboson heeft ongeveer 125 GeV massa, terwijl twee echte Z-bosonen samen ongeveer 182 GeV zouden hebben (2 × 91 GeV). Bij het beschreven Higgsverval ontstaat daarom een echte en een virtuele Z-boson, waarbij de virtuele Z een lagere effectieve massa heeft.
Ook de echte Z-boson bereikt de detector niet intact. Die leeft ongeveer 3 × 10⁻²⁵ seconde voordat hij vervalt. ATLAS onderzoekt gevallen waarin elke Z-boson vervalt in een elektronenpaar of een muonpaar. De richtingen van de vier leptonen, de verzamelnaam voor elektronen en muonen, helpen de eigenschappen van de Z-bosonen indirect te reconstrueren.
Studiecoauteur Juan Antonio Aguilar-Saavedra zegt in een video van het Instituto de Física Teórica IFT dat dit vier-leptonenkanaal ongeveer één keer per 10.000 Higgsgebeurtenissen voorkomt.
Wat de gemelde 4,7σ betekent
De significantie van 4,7σ geeft aan hoe sterk de gegevens ingaan tegen de hypothese dat er geen verstrengeling is. De genoemde conventionele grens voor een waarneming in de deeltjesfysica is 5σ. De gerapporteerde uitkomst is dus sterk bewijs voor verstrengeling, maar haalt die grens niet.
Waarom een Z-boson een qutrit is
Een Z-boson heeft spin 1 en drie mogelijke spintoestanden. In de kwantuminformatica heet een systeem met drie toestanden een qutrit; een qubit heeft er twee. De uitkomst wordt beschreven als de eerste aanwijzing voor verstrengeling tussen qutrits van elementaire deeltjes.
Wat de meting zegt over virtuele deeltjes
ATLAS leidt de eigenschappen van de virtuele Z-boson af uit de vervalproducten. De meting meldt verstrengeling tussen de spins van de echte en de virtuele Z-boson. Of virtuele deeltjes als zelfstandige objecten bestaan, blijft een interpretatieve vraag.
