ATLAS vindt sterke aanwijzingen voor verstrengeling tussen Z-bosonen

Twee deeltjes die vrijwel meteen verdwijnen, kunnen toch een gezamenlijke kwantumtoestand verraden. De ATLAS Collaboration zocht dat spoor in Higgsbosonen die vervallen in twee Z-bosonen. Wat uiteindelijk in de detector overblijft, zijn vier geladen deeltjes en de hoeken waarin zij uiteen vliegen.

De peer-reviewed analyse in Physical Review Letters levert sterke aanwijzingen voor verstrengeling tussen de spins van de Z-bosonen. “Definitief bewezen” zou te stellig zijn: de gevoeligste test komt uit op 4,7 standaardafwijkingen en leunt op meerdere aannames uit het standaardmodel.

Een kort leven, een meetbaar spoor

Een Z-boson leeft zo kort dat ATLAS het niet rechtstreeks kan volgen. In plaats daarvan reconstrueerden de onderzoekers botsingen waarin een Higgsboson via een paar Z-bosonen eindigde in vier elektronen of muonen. Eén van de twee Z-bosonen kan daarbij virtueel zijn: het verschijnt als tussenstap in het verval en heeft niet precies de massa van een vrij Z-boson.

De richtingen van de vier einddeeltjes dragen informatie over hun kortlevende voorgangers. Door veel gebeurtenissen samen te analyseren, ontstaat een hoekverdeling waaruit de mogelijke spincombinaties kunnen worden afgeleid. Het is dus geen foto van verstrengeling, maar een statistische reconstructie uit de vervalproducten.

Z-bosonen hebben drie mogelijke spinprojecties: -1, 0 en +1. In de taal van de kwantuminformatie zijn het daarom systemen met drie niveaus, vaak qutrits genoemd. Dat maakt de analyse rijker dan eerdere colliderstudies met de twee spintoestanden van topquarks. Omdat het Higgsboson zelf spin nul heeft, zijn de toegestane combinaties van de twee Z-bosonen sterk aan elkaar gekoppeld.

Twee tests, verschillende zekerheid

ATLAS bepaalde eerst afzonderlijke coëfficiënten van de gezamenlijke spindichtheidsmatrix. Die matrix vat samen hoe vaak spincombinaties voorkomen en hoe ze onderling samenhangen. Verscheidene coëfficiënten hadden grote statistische onzekerheden, omdat vervallen naar vier elektronen of muonen zeldzaam zijn.

Daarom voerde het team ook een gevoeligere hypothesetest uit met de volledige hoekverdeling. Het vergeleek de verwachte verdeling voor de verstrengelde toestand uit het standaardmodel met een toestand die in losse delen kan worden beschreven. Die scheidbare mogelijkheid paste 4,7 sigma slechter bij de gegevens.

Dat is sterke statistische aanwijzing, maar net onder de gebruikelijke vijf-sigmagrens waarmee de deeltjesfysica een ontdekking claimt. Bovendien veronderstelt de test onder meer dat het Higgsverval en de detectorrespons volgens het gebruikte model verlopen. De direct gemeten matrixcoëfficiënten zijn minder modelafhankelijk, maar op dit moment ook minder precies.

Voor de analyse combineerde ATLAS botsingsgegevens uit twee perioden van de Large Hadron Collider, bij proton-protonenergieën van 13 en 13,6 tera-elektronvolt. Meer energie is daarbij niet hetzelfde als meer zekerheid: vooral het aantal bruikbare vierleptonvervallen bepaalt hoe klein de statistische fout wordt.

Geen communicatie op afstand

Verstrengeling betekent niet dat de Z-bosonen bruikbare informatie sneller dan het licht doorgeven. Het resultaat is evenmin een kwantumcomputer of een onmiddellijk toepasbare technologie. De meting onderzoekt hoe kwantumcorrelaties zich gedragen bij energieën die alleen in grote deeltjesversnellers bereikbaar zijn.

De uitkomst is vooralsnog consistent met het standaardmodel. Er is geen afwijking gemeld die op nieuwe deeltjes of krachten wijst. De waarde zit vooral in een nieuwe manier om de Higgssector en de zwakke kernkracht te toetsen. Als toekomstige metingen dezelfde correlaties nauwkeuriger bepalen, worden ook subtielere afwijkingen zichtbaar.

Een Europese meting met indirect Nederlands belang

Nederland is lidstaat van CERN en Nederlandse instellingen werken mee aan het LHC-programma. Deze specifieke publicatie kent geen afzonderlijk Nederlands deelresultaat toe. De relevantie is daarom indirect: Nederland draagt mee aan de Europese infrastructuur waarmee dit soort fundamentele metingen mogelijk wordt.

CERN beschreef daarnaast een verwante analyse van CMS. Dat is ondersteunende, maar niet identieke evidence; de ATLAS-publicatie blijft de primaire bron voor de 4,7-sigma-uitkomst. Meer botsingsdata van de High-Luminosity LHC moeten de statistische onzekerheid verkleinen en laten zien hoe robuust de conclusie tegenover modelkeuzes is.

De ATLAS Collaboration wordt gefinancierd door vele publieke instellingen en nationale agentschappen. De open-accesspublicatie loopt via SCOAP3. In de openbare artikelinformatie staat geen commercieel belangenconflict vermeld.

Bronnen

• Peer-reviewed ATLAS-studie in Physical Review Letters
• CERN: toelichting op de ATLAS- en CMS-resultaten