ЦЕРН впервые обнаружил квантовую запутанность у частиц, рождённых бозоном Хиггса

Нечто «жуткое» было замечено в Большом адронном коллайдере. В каскаде обломков, разлетающихся от высокоэнергетических столкновений в самом мощном ускорителе частиц в мире, физики нашли сильное свидетельство явления, которое Альберт Эйнштейн назвал «жутким действием на расстоянии».

Это не первое обнаружение квантовой запутанности на Большом адронном коллайдере, но на этот раз она найдена в новом месте. Учёные обнаружили первое сильное свидетельство запутанности между парой Z-бозонов, рождённых при распаде бозона Хиггса. Их спины настолько неразрывно связаны, что один невозможно полностью описать без другого.

«Спины двух Z-бозонов чрезвычайно запутаны, значительно сильнее, чем в ранее измеренном случае топ-антитоп», — сказал физик Хуан Антонио Агилар-Сааведра из Института теоретической физики в Испании.

Квантовая запутанность — одна из самых странных вещей, на которые способны две частицы. Она возникает, когда их свойства становятся настолько тесно связанными, что их больше нельзя описывать независимо друг от друга, даже если их разделяют огромные расстояния. Когда вы измеряете что-то об одной из частиц, вы мгновенно узнаёте что-то о другой. Именно эта глубоко противоречащая интуиции особенность квантовой механики побудила Эйнштейна назвать её «жуткой».

Учёные производят и измеряют запутанные частицы, такие как атомы и фотоны, уже десятилетиями, а в последнее время надеются использовать их для квантовой связи и квантовых вычислений. В 2024 году коллаборация ATLAS сообщила о первом наблюдении квантовой запутанности между парами топ-кварков, рождённых на Большом адронном коллайдере.

Z-бозоны ведут себя немного иначе. В отличие от топ-кварков, которые имеют два возможных спиновых состояния, Z-бозоны имеют три. Это различие на языке квантовой информации делает Z-бозон кудитом — трёхуровневой системой, а не двухуровневым кубитом.

«И это ещё одно важное отличие, потому что это первый раз, когда запутанность была измерена с элементарными частицами, которые являются кудитами», — объяснил Агилар-Сааведра.

Бозон Хиггса, создаваемый при столкновении протонов на высоких скоростях, представляет собой особенно полезный путь к паре запутанных Z-бозонов. Поскольку бозон Хиггса не имеет собственного спина, два Z-бозона не могут просто возникнуть с любой произвольной комбинацией спинов. Их спины должны складываться так, чтобы сохранить нулевой спин частицы, из которой они произошли. Существует несколько способов, которыми это может произойти, и квантовая механика позволяет этим возможностям существовать одновременно, как общее состояние двух Z-бозонов. Именно это общее состояние может оставить их запутанными.

Однако есть загвоздка. Бозон Хиггса имеет массу около ста двадцати пяти гигаэлектронвольт, а Z-бозон весит около девяноста одного гигаэлектронвольта. Энергии просто недостаточно, чтобы бозон Хиггса произвёл два обычных Z-бозона одновременно. Поэтому как минимум один из них должен быть виртуальным.

Виртуальные частицы странны даже по меркам квантовой физики. Они возникают мимолётно во время взаимодействий на коллайдере, но не могут наблюдаться как свободные частицы так, как их «реальные» аналоги. Это поднимает интригующий вопрос: если один из Z-бозонов в паре виртуален, может ли он всё ещё участвовать в чём-то настолько фундаментально квантовом, как запутанность? Новый результат позволяет предположить, что может.

Конечно, есть ещё одна ложка дёгтя в бочке коллайдера: Z-бозон существует всего около трёх на десять в минус двадцать пятой степени секунды, прежде чем распасться. Даже «реальный» Z не задерживается достаточно долго, чтобы его спин можно было измерить напрямую. Но Z-бозоны оставляют после себя подсказки.

В распадах, которые изучала коллаборация, каждый Z производит две заряженные частицы, называемые лептонами, — либо электроны, либо их более тяжёлые родственники, мюоны. Это даёт физикам четыре частицы, пути которых через детектор они могут измерить. И это критически важный момент: направления, в которых движутся эти четыре частицы, содержат информацию о спинах Z-бозонов, которые их породили.

Исследователи могли работать в обратном направлении от этих направлений, как при перемотке ленты, чтобы восстановить спины распадов Z-бозонов, породивших их. Это процесс, между «сказано» и «сделано» в котором лежит огромная пропасть сложности. Отчасти это потому, что конкретная цепочка распадов — бозон Хиггса на два Z, затем на четыре лептона — невероятно редка. Даже с годами данных о столкновениях частиц у исследователей было только около четырёхсот событий для работы.

Но их оказалось достаточно. С восстановленными спинами своих Z-бозонов исследователи искали сигнатуру запутанности — закономерность, которую можно идентифицировать в данных ATLAS. Результат strongly — убедительно — указывал на запутанность. В своём наиболее чувствительном тесте команда обнаружила, что данные благоприятствуют запутанному состоянию по сравнению с незапутанной альтернативой со статистической значимостью 4,7 сигма — соблазнительно близко к порогу в 5 сигма, который физики элементарных частиц традиционно требуют перед объявлением открытия.

Хотя результат и не совсем достигает этой планки, он представляет собой сильное свидетельство того, что два Z-бозона действительно были запутаны. Но эксперимент также поднимает другой, более интригующий вопрос о самом виртуальном Z. Физики не полностью согласны в том, что означает говорить, что виртуальная частица «существует». В отличие от обычных частиц, виртуальные частицы не могут наблюдаться напрямую; некоторые физики рассматривают их прежде всего как математические ингредиенты, используемые для описания взаимодействий. И всё же здесь виртуальный Z, по-видимому, ведёт себя поразительно похоже на частицу — он несёт спиновую информацию, которая может запутаться с другим Z.

«Можно спросить: существуют ли виртуальные частицы, или они являются конструкцией нашего разума, которую мы используем для вычислений?» — сказал Агилар-Сааведра. Он предупредил, что результат не решает этот философский вопрос, но сказал, что он может «пролить немного света на то, являются ли виртуальные частицы частицами или нет».

«Если это ходит как утка и крякает как утка, то то, на что мы смотрим, должно быть уткой, — сказал он. — В этом случае — виртуальной уткой».

Результаты опубликованы в журнале «Физикал Ревью Леттерс».