[论文解读] Measurements of polarization and spin correlation and observation of entanglement in top quark pairs using lepton+jets events from proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

CMS Collaboration, Tumasyan, Armen+2402 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 2

一句话总结

本研究首次利用质子-质子对撞在√s = 13 TeV下获得的轻子+喷胶末态，观测到高质质量事件中顶夸克对的自旋纠缠。通过同时对15个极化与自旋关联系数进行分箱似然拟合，该分析验证了标准模型预测，并在高tt不变质量下观测到超过5σ显著性的纠缠，证实了高能下顶夸克衰变中量子纠缠的存在。

ABSTRACT

Measurements of the polarization and spin correlation in top quark pairs ($\mathrm{t\bar{t}}$) are presented using events with a single electron or muon and jets in the final state. The measurements are based on proton-proton collision data from the LHC at $\sqrt{s}$ = 13 TeV collected by the CMS experiment, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. All coefficients of the polarization vectors and the spin correlation matrix are extracted simultaneously by performing a binned likelihood fit to the data. The measurement is performed inclusively and in bins of additional observables, such as the mass of the $\mathrm{t\bar{t}}$ system and the top quark scattering angle in the $\mathrm{t\bar{t}}$ rest frame. The measured polarization and spin correlation are in agreement with the standard model. From the measured spin correlation, conclusions on the $\mathrm{t\bar{t}}$ spin entanglement are drawn by applying the Peres-Horodecki criterion. The standard model predicts entangled spins for $\mathrm{t\bar{t}}$ states at the production threshold and at high masses of the $\mathrm{t\bar{t}}$ system. Entanglement is observed for the first time in events at high $\mathrm{t\bar{t}}$ mass, where a large fraction of the $\mathrm{t\bar{t}}$ decays are space-like separated, with an expected and observed significance of above 5 standard deviations.

研究动机与目标

• 利用√s = 13 TeV下的电子/μ子+喷胶衰变道，测量顶夸克的极化与顶夸克对的自旋关联。
• 利用Peres–Horodecki判据，在高质质量tt系统中检验顶夸克对的量子纠缠。
• 在单次拟合中完成全部15个极化与自旋关联系数的完整张量测量。
• 利用真实的LHC数据，验证标准模型在产生阈值和高tt质量下对纠缠的预测。
• 通过顶夸克衰变的自旋关联，评估量子力学预测在高能、不稳定粒子衰变中的鲁棒性。

提出的方法

• 对CMS探测器收集的138 fb⁻¹质子-质子对撞数据（√s = 13 TeV）进行分箱似然拟合。
• 在螺旋度表象中，利用微分截面形式，同时提取极化矢量与自旋关联矩阵的全部15个系数。
• 应用Peres–Horodecki判据，基于测量的自旋关联矩阵判断tt自旋态是否可分离或纠缠。
• 采用由顶夸克动量与束流方向定义的螺旋度表象，通过翻转n和r轴符号以保持Bose–Einstein对称性。
• 使用蒙特卡罗模拟对信号与背景事件建模，结合部分子喷注与矩阵元匹配（MCFM、POWHEG等）。
• 应用基于机器学习的喷注味识别（DeepJet）与运动学重建技术，以识别顶夸克衰变并重建tt系统。

实验结果

研究问题

• RQ1 在LHC的高质质量tt事件中，顶夸克对的量子纠缠是否可观测？
• RQ2 在电子/μ子+喷胶道中，不同tt质量与散射角区间内测得的自旋关联是否与标准模型预测一致？
• RQ3 能否从单一数据集中高精度地同时提取完整的3×3自旋关联矩阵与极化矢量？
• RQ4 在高不变质量区域，tt自旋态是否可分离或纠缠，且是否与标准模型预期一致？
• RQ5 探测器效应与背景建模带来的系统不确定性如何影响纠缠显著性？

主要发现

• 在所有tt质量与顶夸克散射角区间内，测得的极化与自旋关联系数均与标准模型预测一致。
• 首次在高质质量tt事件中观测到顶夸克对的纠缠，其预期与观测显著性均超过5σ。
• Peres–Horodecki判据证实，高质质量区域的tt自旋态为非可分离态（即纠缠态），验证了量子力学预测。
• 成功完成全部15个极化与自旋关联系数的完整张量测量，实现了对自旋动力学的全面检验。
• 该分析表明，可通过衰变产物的角关联，在不稳定粒子的高能衰变中探测量子纠缠。
• 系统不确定性得到有效控制，主要贡献来自喷注能量标度与b-打点效率。