大型ハドロン衝突型加速器（LHC）の科学者たちは、Zボソンの中で神秘的な量子もつれ現象を初めて観察しました。これはLHCで生成された粒子の中で量子もつれが観察されたのは初めてではありませんが、今回関与した粒子は異なり、仮想的な対応物を持っています。量子もつれは量子物理学で観察される現象であり、偉大なアルバート・アインシュタインさえも困惑させました。2つの粒子の性質が密接に関連しており、1つの粒子の状態がもう1つの粒子の状態に依存する場合、これらの粒子は量子もつれと呼ばれます。
たとえこれらの2つの粒子が非常に遠く離れていても、この現象は成り立ちます。そのため、アインシュタインはこの行動を「神秘的」と呼びました。我々はこの現象を完全には理解していませんが、量子計算や通信などの技術を構築するためにこの現象を利用することができるようになっています。これらの技術はまだ初期段階にあるかもしれませんが、現在とはまったく異なる新しい明日をもたらすことを約束しています。科学者たちは欧州原子核研究機構（CERN）でこの現象に関する知識をまだ完全には持っておらず、彼らが新しい現象を発見し続けている事実がそれを示しています。
科学者が初めてZボソンの中で量子もつれ現象を観察
Zボソンにおける量子もつれ現象は、CERNのATLAS実験によって2024年に初めて検出されました。その際、LHCで生成されたトップクォークのペアの量子もつれが発見されました。最近Zボソンにおいて発見された量子もつれは若干異なります。なぜなら、Zボソンは3つのスピン状態、すなわちqutritsを持っているからです。Zボソンはヒッグスボソンがさらなる崩壊過程で分裂する際に一時的に生成されます。しかし、ヒッグスボソン自体はスピンを持たないため、その崩壊過程で形成される2つのZボソンは奇数のスピンの組み合わせを持つことは不可能です。
それらのスピンは相殺し、ヒッグスボソンのスピンはゼロになります。これはおそらく、これらの2つのZボソンが共有の状態を持っているために可能となるのです。しかし、生成過程には1つの大きな問題があります。ヒッグスボソンの質量は125 GeVであり、Zボソンの質量は91 GeVです。これにより、ヒッグスボソンが同時に2つのZボソンを生成することは不可能であり、唯一の選択肢はそのうちの1つのZボソンが仮想的であることです。
仮想粒子の量子もつれにおける役割はさらなる研究が必要
量子物理学者が神秘的な粒子の挙動を扱うことが多いにもかかわらず、仮想粒子は彼らにとって依然として奇妙な現象です。これらの粒子は粒子衝突の過程で現れますが、他の粒子のように観測することはできません。したがって、問題はこれらの仮想粒子がもつれに参加できるかどうかです。科学的にこれを確認することはより困難です。なぜなら、Zボソン自体の寿命は3 × 10-25秒だからです。したがって、実際のボソンであっても、そのスピンの測定はほぼ不可能です。それでは、科学者たちはその仮想的な対応物のスピンをどのように確認するのでしょうか？
研究者たちはZボソンの崩壊過程で利用できる手がかりに目を向けました。各Zボソンの崩壊は2つの荷電粒子を生成し、これらの粒子はレプトンまたはμ子であり、潜在的に4つの検出可能な粒子を生成します。これらの粒子の運動方向は、科学者に情報を提供し、それを用いてそれらを生成したボソンのスピンを逆算して特定することができます。これは簡単に聞こえますが、CERNの研究チームは研究を進めるための十分なデータを見つけるのに苦労しました。何年にもわたって粒子衝突データをフィルタリングした後でも、彼らはわずか400件のZボソンが4つのレプトンに崩壊するイベントを発見することができただけでした。
データは、もつれ状態が非もつれ状態よりも好まれることを示しており、統計的有意性は4.7に達し、科学者が重要な声明を出す前に好む数字5に近づいています。この分野はさらなる研究が必要であり、仮想粒子とその挙動の探求にはまだ多くの発見が待っています。
これらの結果は『Physical Review Letters』に発表されました。