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Quantenphänomen: Higgs-Zerfall liefert Hinweise auf verschränkte Z-Bosonen
Quantenphänomen im Teilchenbeschleuniger: Physiker des ATLAS-Experiments haben starke Hinweise darauf gefunden, dass zwei Z-Bosonen aus dem Zerfall eines Higgs-Bosons quantenmechanisch verschränkt sind. Ein Vergleich der gemessenen Zerfallswinkel mit einem nicht verschränkten Modell verwirft diese Nullhypothese mit 4,7 Standardabweichungen. Damit erreicht die Verschränkungsforschung erstmals massive Vektorbosonen auf der elektroschwachen Energieskala.
Meyrin (Schweiz). Quantenverschränkung bedeutet, dass sich der gemeinsame Zustand zweier Teilchen nicht in unabhängige Einzelzustände zerlegen lässt. Solche Korrelationen sind aus Photonen, Atomen und inzwischen auch aus Teilchenkollisionen bekannt. Doch bei schweren spintragenden Bosonen auf der elektroschwachen Energieskala waren sie bislang nicht direkt vermessen worden.
Genau dafür bietet der Higgs-Zerfall eine besondere Bühne. Das Higgs-Boson besitzt Spin 0 und kann in zwei Z-Bosonen zerfallen, von denen wegen seiner Masse mindestens eines virtuell ist. Z-Bosonen tragen Spin 1 und können drei Spinzustände annehmen. Ein Paar aus ihnen bildet damit ein System aus zwei sogenannten Qutrits, also dreistufigen Quantenobjekten.
Die ATLAS-Kollaboration hat Proton-Proton-Kollisionen am Large Hadron Collider (LHC) der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN) ausgewertet. In den Daten aus Run 2 und einem Teil von Run 3 suchte das Team nach Higgs-Zerfällen in zwei Z-Bosonen, die anschließend vier geladene Leptonen, Elektronen oder Myonen, erzeugen. Die Datensätze umfassen 140 inverse Femtobarn bei 13 Teraelektronenvolt und 164 inverse Femtobarn bei 13,6 Teraelektronenvolt.
Da die Z-Bosonen fast sofort zerfallen, lässt sich ihr Spin nicht unmittelbar messen. Stattdessen rekonstruierten die Physiker die Winkel, unter denen ihre Zerfallsprodukte auseinanderfliegen. Daraus bestimmten sie zwei Größen der Spin-Dichtematrix, C2,1,2,-1 und C2,2,2,-2, die empfindlich auf Verschränkung reagieren. Unter den in der Analyse geltenden Annahmen würde bereits ein von null verschiedener Wert eines dieser beiden Koeffizienten auf einen nicht separierbaren Zustand hinweisen.
Die kombinierten Messwerte lagen bei -0,71 ± 0,45 und 0,08 ± 0,44. Beide stimmen mit den Vorhersagen des Standardmodells überein. Für sich genommen liefern diese Mittelwerte aber nur begrenzte statistische Trennschärfe, weil sie aus breiten Winkelverteilungen gewonnen werden und die statistischen Unsicherheiten dominieren.
Deshalb führte das Team einen zweiten Test durch, der nicht nur die Mittelwerte, sondern die gesamte Form einer besonders empfindlichen Winkelverteilung nutzt. Verglichen wurden der verschränkte Zustand, den das Standardmodell für den Higgs-Zerfall vorhersagt, und ein separierbarer Zustand, in dem beide Z-Bosonen ausschließlich longitudinal polarisiert sind. Innerhalb der zugrunde gelegten Annahmen ist dies der einzige nicht verschränkte Zustand, der mit dem betrachteten Zerfall vereinbar ist.
Die Analyse berücksichtigte experimentelle und theoretische Unsicherheiten und stützte sich auf jeweils zehn Millionen simulierte Pseudoexperimente für beide Hypothesen. Das Ergebnis: Der nicht verschränkte Zustand wird mit 4,7 Standardabweichungen gegenüber der verschränkten Standardmodell-Hypothese verworfen, erwartet waren 4,9 Sigma. Die Forscher sprechen deshalb von starken Hinweisen auf Quantenverschränkung zwischen massiven Z-Bosonen.
Die hohe Signifikanz ist jedoch nicht mit einem völlig modellunabhängigen Bell-Test gleichzusetzen. Die Interpretation setzt unter anderem voraus, dass das Higgs-Boson den bekannten skalaren Zustand besitzt, dass die schwachen Z-Zerfälle den Standardmodell-Vorhersagen folgen und dass bestimmte höhere Korrekturen klein bleiben. ATLAS wählte deshalb Observablen, für die solche Korrekturen laut Berechnungen unter zwei Prozent liegen, und behandelte sie als systematische Unsicherheit.
Gerade diese Einschränkung macht den Unterschied zwischen den beiden Auswertungswegen wichti