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Observation of quantum entanglement in top-quark pairs using the ATLAS detector

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2023

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Report No.: CERN-EP-2023-230; arXiv:2311.07288

Abstract: We report the highest-energy observation of entanglement, in top$-$antitop quark events produced at the Large Hadron Collider, using a proton$-$proton collision data set with a center-of-mass energy of $\sqrt{s}=13$ TeV and an integrated luminosity of 140 fb$^{-1}$ recorded with the ATLAS experiment. Spin entanglement is detected from the measurement of a single observable $D$, inferred from the angle between the charged leptons in their parent top- and antitop-quark rest frames. The observable is measured in a narrow interval around the top$-$antitop quark production threshold, where the entanglement detection is expected to be significant. It is reported in a fiducial phase space defined with stable particles to minimize the uncertainties that stem from limitations of the Monte Carlo event generators and the parton shower model in modelling top-quark pair production. The entanglement marker is measured to be $D=-0.547 \pm 0.002~\text{(stat.)} \pm 0.021~\text{(syst.)}$ for $340 < m_{t\bar{t}} < 380 $ GeV. The observed result is more than five standard deviations from a scenario without entanglement and hence constitutes both the first observation of entanglement in a pair of quarks and the highest-energy observation of entanglement to date.

Keyword(s): top, pair production ; particle, stability ; parton, showers ; threshold, production ; quark, pair ; quark, production ; entanglement, quantum ; anti-top ; ATLAS ; Monte Carlo ; GeV ; spin ; lepton ; CERN LHC Coll ; phase space ; TeV


Note: 45 pages in total, author list starting page 28, 4 figures, 2 tables, submitted to Nature. All figures including auxiliary figures are available at http://atlas.web.cern.ch/Atlas/GROUPS/PHYSICS/PAPERS/TOPQ-2021-24

Contributing Institute(s):
  1. LHC/ATLAS Experiment (ATLAS)
Research Program(s):
  1. 611 - Fundamental Particles and Forces (POF4-611) (POF4-611)
Experiment(s):
  1. LHC: ATLAS

Appears in the scientific report 2023
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Observation of quantum entanglement with top quarks at the ATLAS detector
Nature 633(8030), 542-547 () [10.1038/s41586-024-07824-z]  GO OpenAccess  Download fulltext Files  Download fulltextFulltext by arXiv.org BibTeX | EndNote: XML, Text | RIS


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