Journal Article PUBDB-2024-06556

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Observation of quantum entanglement with top quarks at the ATLAS detector

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2024
Nature Publ. Group London [u.a.]

Nature 633(8030), 542-547 () [10.1038/s41586-024-07824-z]
 GO

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

Abstract: Entanglement is a key feature of quantum mechanics$^{1–3}$, with applications in fields such as metrology, cryptography, quantum information and quantum computation$^{4–8}$. It has been observed in a wide variety of systems and length scales, ranging from the microscopic$^{9–13}$ to the macroscopic$^{14–16}$. However, entanglement remains largely unexplored at the highest accessible energy scales. Here we report the highest-energy observation of entanglement, in top–antitop quark events produced at the Large Hadron Collider, using a proton–proton collision dataset with a centre-of-mass energy of √s = 13 TeV and an integrated luminosity of 140 inverse femtobarns (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, at which 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 the 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 = −0.537 ± 0.002 (stat.) ± 0.019 (syst.) for $340\,{\rm{GeV}} < {m}_{t\bar{t}} < 380\,{\rm{GeV}}$. The observed result is more than five standard deviations from a scenario without entanglement and hence constitutes the first observation of entanglement in a pair of quarks and the highest-energy observation of entanglement so far.

Keyword(s): p p: scattering ; p p: colliding beams ; top: pair production ; particle: stability ; parton: showers ; threshold: production ; entanglement: quantum ; anti-top ; ATLAS ; numerical calculations: Monte Carlo ; spin ; final state: ((n)jet dilepton) ; electron ; muon ; CERN LHC Coll ; phase space ; experimental results ; 13000 GeV-cms

Classification:

Note: Nature 633 (2024) 542. 49 pages in total, author list starting page 32, 4 figures, 2 tables, published as Nature 633 (2024) 542. 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)
  2. DFG project G:(GEPRIS)469666862 - Präzisionstests des Standardmodells unter der Verwendung von geboosteten W/Z-Bosonen am Large Hadron Collider (469666862) (469666862)
Experiment(s):
  1. LHC: ATLAS

Appears in the scientific report 2024
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Observation of quantum entanglement in top-quark pairs using the ATLAS detector
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