- 30,065
- 46
- 8 Ноя 2022
Бозоны Хиггса породили первые элементарные кутриты с запутанностью.
<div class="articl-text-cover" style="position:relative;width:100%;max-width:800px;margin-left:auto;margin-right:auto;aspect-ratio:1400/788;margin-bottom:2rem;overflow:hidden">
<div itemprop="articleBody">Коллаборация ATLAS на Большом адронном коллайдере CERN измерила запутанность между спинами пары Z-бозонов, возникающих при распаде бозона Хиггса. Наиболее чувствительный тест отверг конкретную незапутанную модель с уровнем значимости 4,7 стандартного отклонения, а авторы называют результат первым измерением квантовой запутанности между двумя массивными векторными бозонами на электрослабом масштабе.
Необычность пары связана с устройством самого Z-бозона. Частица обладает спином 1 и может находиться в трёх состояниях с проекциями спина +1, 0 и −1. В языке квантовой информации такая трёхуровневая система называется кутритом , в отличие от двухуровневого кубита. Кутрит здесь не служит вычислительным элементом квантового компьютера: физики используют тот же математический язык для описания состояния элементарной частицы.
Бозон Хиггса имеет нулевой спин, поэтому два появившихся при его распаде Z-бозона не могут получить произвольную комбинацию спинов. Квантовая механика допускает суперпозицию нескольких совместных состояний пары, из-за чего спины двух частиц могут образовать единое неразделимое квантовое состояние. Для пары кутритов полное пространство возможных спиновых состояний содержит уже девять комбинаций, хотя в распаде Хиггса главную роль играют три из них.
Есть ещё одна особенность. Масса бозона Хиггса меньше удвоенной массы Z-бозона, поэтому в распаде H→ZZ* как минимум один Z-бозон оказывается виртуальным, то есть не находится на своей обычной массовой оболочке. Затем оба бозона распадаются на заряженные лептоны, оставляя четыре электрона, четыре мюона либо электронную и мюонную пары. Детектор не измеряет спин Z-бозона напрямую, но направления разлёта лептонов сохраняют информацию о его поляризации.
Физики объединили данные второго этапа работы коллайдера за 2015–2018 годы и часть третьего этапа за 2022–2024 годы. Первая выборка соответствует интегральной светимости 140 фб⁻¹ при энергии столкновений протонов 13 ТэВ, вторая 164 фб⁻¹ при 13,6 ТэВ. Из событий отбирались распады, где восстановленная масса четырёх лептонов находилась рядом с массой бозона Хиггса.
По углам вылета лептонов ATLAS оценил два коэффициента спиновой матрицы, чувствительных к запутанности. Для них получили −0,71 ± 0,45 и 0,08 ± 0,44. Результаты согласуются с предсказаниями Стандартной модели, однако статистические погрешности пока велики, поэтому одних средних значений недостаточно для столь же убедительного вывода.
Более сильный результат дал второй метод. Вместо двух усреднённых коэффициентов физики использовали полную форму углового распределения и сравнили предсказанное Стандартной моделью запутанное состояние с незапутанным вариантом, где оба Z-бозона имеют продольную поляризацию. После учёта неопределённостей такая модель оказалась несовместима с данными на уровне 4,7 σ при ожидаемых 4,9 σ.
У результата есть важная оговорка. Значимость 4,7 σ не означает универсального опровержения любых мыслимых незапутанных состояний. Проверка опирается на уже измеренные свойства бозона Хиггса, стандартное описание слабого взаимодействия и характер распада Z-бозонов. Анализ также не является тестом неравенств Белла и не пытается сравнивать квантовую механику с альтернативными теориями. Поэтому авторы говорят о сильных свидетельствах, а не об окончательном наблюдении с традиционным для физики частиц порогом 5 σ.
Коллайдеры уже использовали похожий подход для изучения запутанности топ-кварков, но топ-кварк как частица со спином 1/2 представляет двухуровневую систему. Z-бозоны добавляют третье спиновое состояние и позволяют исследовать более сложную структуру квантовых корреляций непосредственно в фундаментальных взаимодействиях.
Пока измерения не показывают отклонений от Стандартной модели. Ценность метода в другом: спиновая квантовая томография даёт физикам новый способ проверять взаимодействие бозона Хиггса с Z-бозонами и искать небольшие аномалии, которые могли бы указывать на неизвестные частицы или поля. Более крупные выборки полного третьего этапа работы БАК и будущего коллайдера высокой светимости должны заметно уменьшить статистические погрешности.
<div class="articl-text-cover" style="position:relative;width:100%;max-width:800px;margin-left:auto;margin-right:auto;aspect-ratio:1400/788;margin-bottom:2rem;overflow:hidden">
<div itemprop="articleBody">Коллаборация ATLAS на Большом адронном коллайдере CERN измерила запутанность между спинами пары Z-бозонов, возникающих при распаде бозона Хиггса. Наиболее чувствительный тест отверг конкретную незапутанную модель с уровнем значимости 4,7 стандартного отклонения, а авторы называют результат первым измерением квантовой запутанности между двумя массивными векторными бозонами на электрослабом масштабе.
Необычность пары связана с устройством самого Z-бозона. Частица обладает спином 1 и может находиться в трёх состояниях с проекциями спина +1, 0 и −1. В языке квантовой информации такая трёхуровневая система называется кутритом , в отличие от двухуровневого кубита. Кутрит здесь не служит вычислительным элементом квантового компьютера: физики используют тот же математический язык для описания состояния элементарной частицы.
Бозон Хиггса имеет нулевой спин, поэтому два появившихся при его распаде Z-бозона не могут получить произвольную комбинацию спинов. Квантовая механика допускает суперпозицию нескольких совместных состояний пары, из-за чего спины двух частиц могут образовать единое неразделимое квантовое состояние. Для пары кутритов полное пространство возможных спиновых состояний содержит уже девять комбинаций, хотя в распаде Хиггса главную роль играют три из них.
Есть ещё одна особенность. Масса бозона Хиггса меньше удвоенной массы Z-бозона, поэтому в распаде H→ZZ* как минимум один Z-бозон оказывается виртуальным, то есть не находится на своей обычной массовой оболочке. Затем оба бозона распадаются на заряженные лептоны, оставляя четыре электрона, четыре мюона либо электронную и мюонную пары. Детектор не измеряет спин Z-бозона напрямую, но направления разлёта лептонов сохраняют информацию о его поляризации.
Физики объединили данные второго этапа работы коллайдера за 2015–2018 годы и часть третьего этапа за 2022–2024 годы. Первая выборка соответствует интегральной светимости 140 фб⁻¹ при энергии столкновений протонов 13 ТэВ, вторая 164 фб⁻¹ при 13,6 ТэВ. Из событий отбирались распады, где восстановленная масса четырёх лептонов находилась рядом с массой бозона Хиггса.
По углам вылета лептонов ATLAS оценил два коэффициента спиновой матрицы, чувствительных к запутанности. Для них получили −0,71 ± 0,45 и 0,08 ± 0,44. Результаты согласуются с предсказаниями Стандартной модели, однако статистические погрешности пока велики, поэтому одних средних значений недостаточно для столь же убедительного вывода.
Более сильный результат дал второй метод. Вместо двух усреднённых коэффициентов физики использовали полную форму углового распределения и сравнили предсказанное Стандартной моделью запутанное состояние с незапутанным вариантом, где оба Z-бозона имеют продольную поляризацию. После учёта неопределённостей такая модель оказалась несовместима с данными на уровне 4,7 σ при ожидаемых 4,9 σ.
У результата есть важная оговорка. Значимость 4,7 σ не означает универсального опровержения любых мыслимых незапутанных состояний. Проверка опирается на уже измеренные свойства бозона Хиггса, стандартное описание слабого взаимодействия и характер распада Z-бозонов. Анализ также не является тестом неравенств Белла и не пытается сравнивать квантовую механику с альтернативными теориями. Поэтому авторы говорят о сильных свидетельствах, а не об окончательном наблюдении с традиционным для физики частиц порогом 5 σ.
Коллайдеры уже использовали похожий подход для изучения запутанности топ-кварков, но топ-кварк как частица со спином 1/2 представляет двухуровневую систему. Z-бозоны добавляют третье спиновое состояние и позволяют исследовать более сложную структуру квантовых корреляций непосредственно в фундаментальных взаимодействиях.
Пока измерения не показывают отклонений от Стандартной модели. Ценность метода в другом: спиновая квантовая томография даёт физикам новый способ проверять взаимодействие бозона Хиггса с Z-бозонами и искать небольшие аномалии, которые могли бы указывать на неизвестные частицы или поля. Более крупные выборки полного третьего этапа работы БАК и будущего коллайдера высокой светимости должны заметно уменьшить статистические погрешности.
- Источник новости
- www.securitylab.ru
