Квантовая запутанность возникает, когда свойства двух частиц становятся настолько связанными, что их нельзя описать независимо друг от друга, даже если их разделяют огромные расстояния. Измерив какой-то параметр одной частицы, вы мгновенно узнаете нечто о другой. Ученые десятилетиями создают и измеряют запутанные частицы — атомы и фотоны — надеясь использовать их для квантовой связи и квантовых вычислений. В 2024 году коллаборация ATLAS уже сообщала о первой наблюдаемой запутанности между парами топ-кварков.
Однако, в отличие от топ-кварков, у которых есть два возможных спиновых состояния, у Z-бозонов их три — и в языке квантовой информации это делает Z-бозон не кубитом, а кутритом. Как объяснил физик Хуан Антонио Агилар-Сааведра из Института теоретической физики в Испании, впервые запутанность измерена у элементарных частиц, являющихся кутритами.
Бозон Хиггса — частица, возникающая при столкновении протонов на высоких скоростях, — особенно удобный способ получения пары запутанных Z-бозонов. Поскольку у самого бозона Хиггса нет спина, два Z-бозона не могут возникнуть с произвольной комбинацией спинов: их спины должны в сумме давать нулевой спин исходной частицы. Квантовая механика допускает существование нескольких таких вариантов одновременно. Но есть загвоздка: масса бозона Хиггса около 125 ГэВ, а Z-бозона — около 91 ГэВ, поэтому энергии для рождения двух обычных Z-бозонов просто не хватает, и как минимум один из них должен быть виртуальным.
Виртуальные частицы странные даже по меркам квантовой физики, пишет Science Alert: они возникают на мгновение в ходе взаимодействий, но их нельзя наблюдать как свободные частицы.
Это порождает интригующий вопрос: если один из Z-бозонов виртуальный, может ли он участвовать в чем-то столь фундаментально квантовом, как запутанность? Полученный результат утверждает, что может.
Поскольку Z-бозон живет всего около 3×10⁻²⁵ секунды, этого слишком мало для прямого измерения его спина. К счастью, он оставляет след: в изученных распадах каждый Z рождает два заряженных лептона — электроны или мюоны. Направления движения этих четырех частиц содержат информацию о спинах породивших их Z-бозонов, и исследователи смогли «отмотать пленку назад» и восстановить эти спины.
Это было непросто: цепочка распадов — явление крайне редкое, и даже в данных за годы наблюдений имелось всего около 400 таких событий. Тем не менее, этого хватило. В самом чувствительном тесте данные благоприятствовали запутанному состоянию со статистической значимостью 4,7 сигма (для признания научного открытия нужно снизить вероятность ошибки до 5 сигма). Формально порог не достигнут, но это безусловно сильное свидетельство того, что два Z-бозона действительно были запутанными.
Кроме того, эксперимент проливает свет на вопрос, является ли виртуальный Z-бозон частицей или это всего лишь математический инструмент для описания взаимодействий.
Команда физиков ЦЕРН из коллаборации CMS получила на Большом адронном коллайдере наиболее точное на сегодняшний день измерение массы W-бозона — одной из фундаментальных частиц, переносящих слабое ядерное взаимодействие. Результат, о котором стало известно весной этого года, с высокой точностью соответствует предсказаниям Стандартной модели физики элементарных частиц и снимает противоречние, возникшее после аномалии 2022 года.
