ATLAS e CMS encontram fortes evidências de emaranhamento quântico entre bósons Z no LHC

Por que o emaranhamento quântico é tão especial?

Emaranhamento quântico é um dos fenômenos mais contraintuitivos da física. Quando duas partículas estão emaranhadas, seus estados quânticos tornam-se correlacionados de forma inseparável, mesmo que estejam separadas por grandes distâncias. Einstein chamou isso de “ação fantasmagórica à distância”.

Durante décadas, experimentos confirmaram o emaranhamento em sistemas de baixa energia — fótons, elétrons, íons aprisionados. Mas observar o fenômeno em partículas pesadas e extremamente energéticas, como top quarks e bósons Z, é um desafio muito maior.

Do top quark ao bóson Z: uma nova fronteira

Em 2022, ATLAS e CMS já haviam encontrado evidências de emaranhamento entre top quarks, as partículas fundamentais mais massivas conhecidas. Agora, os experimentos avançam ainda mais ao investigar o decaimento do bóson de Higgs em dois bósons Z.

O bóson Z é mediador da força fraca e possui três estados possíveis de spin: -1, 0 e +1. Quando dois Z são produzidos a partir de um Higgs, a soma de seus spins deve ser zero. Isso cria uma correlação quântica natural — e potencialmente um estado emaranhado.

Como detectar o emaranhamento de bósons Z?

Os bósons Z são extremamente instáveis e decaem quase instantaneamente. Para identificá-los, ATLAS e CMS analisam seus produtos de decaimento: pares de elétrons ou pares de múons.

A partir desses pares, os pesquisadores reconstruem as propriedades de spin dos Z e aplicam análises estatísticas para verificar se as correlações observadas excedem o limite clássico — o que caracteriza o emaranhamento quântico.

Usando dados combinados dos Runs 2 e 3 do LHC, ambos os experimentos encontraram fortes evidências de que os dois Z emergem em estados quânticos entrelaçados.

Por que isso importa para a física de altas energias?

Observar emaranhamento em partículas tão pesadas e energéticas abre uma nova janela para estudar:

• interações do bóson de Higgs com partículas fundamentais;
• a estrutura quântica da força fraca em regimes extremos;
• novas sondas de física além do Modelo Padrão usando correlações quânticas.

Emaranhamento quântico pode se tornar uma ferramenta experimental para investigar propriedades sutis do Higgs que não aparecem em medições tradicionais.

O que vem com o HiLumi LHC?

O High-Luminosity LHC (HiLumi LHC), previsto para entrar em operação nos próximos anos, aumentará drasticamente o número de colisões por segundo. Isso significa:

• mais bósons Z produzidos;
• mais decaimentos do Higgs observáveis;
• maior precisão nas medições de emaranhamento;
• possibilidade de estudar outros pares de partículas emaranhadas.

O resultado atual é apenas o começo de uma nova era de “física quântica de altas energias”.