ATLAS et CMS observent l’intrication quantique dans des paires de quarks top-antitop

Le physicien espagnol Juan Ramón Muñoz de Nova et Yoav Afik, membre de la collaboration ATLAS, ont proposé en 2020 un protocole de tomographie quantique pour observer l’intrication dans les collisions à haute énergie du LHC au CERN. Plus précisément, dans les désintégrations leptoniques de paires de quarks top-antitop, on observera une corrélation dans la séparation angulaire des leptons dont l’origine est l’intrication entre les spins desdits quarks ; Comme observable, le marqueur d’intrication D est proposé, tel que −1 Nature au premier succès de ladite méthode, une valeur D = −0,547 ± 0,002 (stat.) ± 0,021 (syst.) = −0,547 ± 0,021, pour des masses en le centre de masse de la paire top-antitop entre 340 et 380 GeV/c² ; Ce résultat est supérieur à dix sigma (écarts types) de la valeur −1/3 et a été obtenu après analyse de 140 fb⁻¹ de collisions proton-proton à 13 TeV cm lors de l’exploitation 2 du LHC. Ce résultat a été annoncé en septembre. 2023 et a été confirmé par la collaboration CMS en juin 2024 (paraîtra dans Rapports sur les progrès de la physique) avec une estimation de D = −0,480 ± 0,029, après analyse de 36,3 fb⁻¹ de collisions à 13 TeV cm, soit environ cinq sigma de la valeur −1/3. En septembre 2024 (paraîtra dans Examen physique D) a été confirmé avec d’autres marqueurs d’intrication à des énergies supérieures à 800 GeV/c² après analyse de 138 fb⁻¹ des collisions du LHC Run 2. Ce résultat constitue le nouveau record d’énergie pour l’observation de l’intrication quantique.

Il a été observé en utilisant le quark top car sa demi-vie (∼ 10⁻²⁵ secondes) est plus courte que l’échelle d’hadronisation (∼ 10⁻²⁵ secondes) et l’échelle de décorrélation de spin (∼ 10⁻²¹ secondes). Grâce à cela, l’intrication entre les spins des quarks top et antitop se propage à leurs produits de désintégration. Pour l’observer clairement, il faut recourir aux désintégrations de leptons, par voie électrofaible, puisque la demi-vie du boson W (∼3$$\times$$10⁻²⁵ secondes) est également plus courte que l’échelle de décorrélation de spin ; plus précisément, nous recourons à la désintégration t → Wb → b ℓ ν, dans lequel le haut se désintègre en un bas et un boson W, qui à son tour se désintègre en un lepton (électron ou muon) et un neutrino (et de même pour l’antitop). ATLAS et CMS peuvent détecter l’angle entre les deux leptons, qu’il s’agisse d’électrons ou de muons, avec une grande précision, ce qui permet d’estimer le marqueur d’intrication D. Le spin de chaque quark se comporte comme un qubit, décrit par une matrice 2×2, et les deux. tourne comme un produit de deux qubits, décrit par une matrice 4×4, avec 15 coefficients réels (une matrice hermitienne n×n de trace d’unité a n² − 1). Déterminer tous les coefficients est très difficile, donc un observable est nécessaire ; Muñoz de Nova et Afik ont ​​proposé d’utiliser D = tr(C)/3 = −(1 + δ)/3, avec δ>0 pour l’intrication (selon le critère de Peres-Horodecki). Son avantage est que la section efficace différentielle pour la séparation angulaire entre les leptons est (1 − D cos φ)/2, avec φ l’angle entre les directions des leptons. Ce paramètre n’est pas la seule possibilité, mais c’est la plus évidente. En fait, CMS a publié en 2019 une analyse de ces angles qui a conduit à D = −0,237 ± 0,011 > −1/3 pour toute la masse de la paire sommet-antitop. Pour cette raison, Muñoz de Nova et Afik ont ​​proposé en 2020 d’analyser la plage de masse faible, inférieure à 450 GeV/c² (et supérieure à deux fois la masse du quark top).

Les nouveaux résultats d’ATLAS et les nouveaux résultats de CMS sont spectaculaires. Même si tout le monde sait qu’il y a toujours un intrication entre les paires de particules produites lors des collisions du LHC, l’observer n’est pas facile. Grâce à la définition d’un bon observable, ce cap a été franchi. Les articles sont The ATLAS Collaboration, « Observation of quantum intanglement with top quarks at the ATLAS detector », Nature 633 : 542-547 (18 septembre 2024), doi : https://doi.org/10.1038/s41586-024-07824-z, arXiv:2311.07288 [hep-ex] (13 novembre 2023) ; Collaboration CMS, « Observation de l’intrication quantique dans la production de paires de quarks t dans des collisions proton-proton à √s = 13 TeV », Rapports sur les progrès en physique (soumis), arXiv : 2406.03976 [hep-ex] (6 juin 2024), est ce que je: https://doi.org/10.48550/arXiv.2406.03976; y Collaboration CMS, «Mesures de polarisation et de corrélation de spin et observation de l’intrication dans des paires de quarks top à l’aide d’événements lepton+jets issus de collisions proton-proton à √s = 13 TeV», Physical Review D (soumis), arXiv :2409.11067 [hep-ex] (17 septembre 2024), est ce que je: https://doi.org/10.48550/arXiv.2409.11067.

Les articles théoriques qui ont proposé l’idée originale du nouveau protocole sont Yoav Afik, Juan Ramón Muñoz de Nova, “Entanglement and quantum tomography with top quarks at the LHC”, The European Physical Journal Plus 136 : 907 (03 septembre 2021) , est-ce que je: https://doi.org/10.1140/epjp/s13360-021-01902-1, arXiv:2003.02280 [quant-ph] (04 mars 2020), et Yoav Afik, Juan Ramón Muñoz de Nova, « Quantum information with top quarks in QCD », Quantum 6 : 820 (29 septembre 2022), doi : https://doi.org/10.22331/q-2022-09-29-820, arXiv:2203.05582 [quant-ph] (10 mars 2022).

En physique quantique, lorsque deux particules ont la même origine, elles seront intriquées dans certaines de leurs propriétés. Dans le cas spécifique d’un gluon de spin unité qui produit une paire top-antitop, tous deux de spin 1/2, leurs spins aboutissent à un état intriqué. La plupart des collisions hadroniques du LHC sont très bruyantes, en raison de l’empilement des collisions, ce qui implique que les corrélations entre les spins sont perdues (une décorrélation de spin se produit). Par conséquent, observer l’intrication quantique dans de telles collisions nécessite une analyse très subtile. Heureusement, le quark top se désintègre si rapidement que ses produits sont marqués par leur corrélation de spin ; Si ces produits se désintègrent également très rapidement en particules que nous pouvons observer, comme cela se produit dans les désintégrations leptoniques du boson W, nous pouvons utiliser les particules détectées pour observer l’intrication.

Comme le montre la figure qui ouvre cet article, ATLAS a observé l’intrication de paires sommet-antitop avec une masse au centre de masse comprise entre 340 et 380 GeV/c², ce qui donne une valeur D = −0,547 ± 0,002 (stat.) ± 0,021 ( syst.) −1/3, et supérieure à 500 GeV/c² on obtient D = −0,098 ± 0,001 (stat.) ± 0,021 (syst.) > −1/3. Selon les estimations théoriques de Muñoz de Nova et Afik, une intrication avec le paramètre D pourrait être observée jusqu’à une masse d’environ 550 GeV/c². Comme le montre cette figure, il existe d’autres combinaisons des 15 paramètres de la matrice de corrélation qui peuvent être utilisées pour des masses plus importantes.

Comme toujours en physique des particules, une observation à de nombreux sigmas (celui d’ATLAS dépasse dix) doit toujours être prise avec prudence (c’est peut-être pour cette raison que l’article envoyé à Nature le 14 novembre 2023 n’a été accepté que le 12 juillet 2023). ). Une confirmation indépendante est toujours nécessaire. Heureusement, CMS a publié sur arXiv le 6 juin 2024 la confirmation indispensable à l’acceptation dans Nature de l’article d’ATLAS (signé par Muñoz de Nova, bien qu’il ne soit pas membre de la collaboration ; une pratique très exceptionnelle dans le domaine). CMS a analysé 36,3 fb⁻¹ de collisions par deux méthodes, pour obtenir pour des masses de la paire sommet-antitop comprises entre 345 et 400 GeV/c² une valeur de D = −0,480 ± 0,017 (stat.) ± 0,023 (syst.)

Puisque tout le monde aime les records (car cette année est olympique), CMS a publié en septembre son analyse de toutes ses collisions du LHC Run 2 (138 fb⁻¹). Vous avez utilisé divers marqueurs d’intrication, tels que et $Delta_E$, en utilisant des collisions avec un petit angle |cos θ| Nature (peut-être en profitant de Muñoz de Nova), mais CMS publiera le bilan énergétique dans Examen physique D. Bien entendu, ATLAS suivra la saga l’année prochaine. Ce type de saine compétition profite toujours au progrès de la science.