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Journal Article PUBDB-2024-07045
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Observation of quantum entanglement in top quark pair production in proton–proton collisions at $\sqrt{s} = 13$ TeV

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2024
IOP Publ. Bristol

Reports on progress in physics 87(11), 117801 () [10.1088/1361-6633/ad7e4d]
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Report No.: CERN-EP-2024-137; CMS-TOP-23-001; arXiv:2406.03976

Abstract: Entanglement is an intrinsic property of quantum mechanics and is predicted to be exhibited in the particles produced at the Large Hadron Collider. A measurement of the extent of entanglement in top quark-antiquark ($\mathrm{t}\bar{\mathrm{t}}$) events produced in proton–proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV is performed with the data recorded by the CMS experiment at the CERN LHC in 2016, and corresponding to an integrated luminosity of 36.3 fb$^{−1}$. The events are selected based on the presence of two leptons with opposite charges and high transverse momentum. An entanglement-sensitive observable D is derived from the top quark spin-dependent parts of the $\mathrm{t}\bar{\mathrm{t}}$ production density matrix and measured in the region of the $\mathrm{t}\bar{\mathrm{t}}$ production threshold. Values of $D \lt -1/3$ are evidence of entanglement and D is observed (expected) to be $-0.480^{+0.026}_{-0.029}$ ($-0.467^{+0.026}_{-0.029}$) at the parton level. With an observed significance of 5.1 standard deviations with respect to the non-entangled hypothesis, this provides observation of quantum mechanical entanglement within $\mathrm{t}\bar{\mathrm{t}}$ pairs in this phase space. This measurement provides a new probe of quantum mechanics at the highest energies ever produced.

Keyword(s): p p: colliding beams ; top: pair production ; p p: scattering ; spin: dependence ; quantum mechanics: entanglement ; threshold: production ; entanglement: quantum ; Bell inequality ; lepton: transverse momentum ; transverse momentum: high ; CERN LHC Coll ; CMS ; CERN Lab ; density matrix ; lepton: pair production ; final state: ((n)jet dilepton) ; parton ; quark antiquark ; phase space ; experimental results ; 13000 GeV-cms ; CMS ; top quark ; entanglement

Classification:
Contributing Institute(s):
  1. LHC/CMS Experiment (CMS)
Research Program(s):
  1. 611 - Fundamental Particles and Forces (POF4-611) (POF4-611)
  2. DFG project G:(GEPRIS)390833306 - EXC 2121: Quantum Universe (390833306) (390833306)
  3. HIDSS-0002 - DASHH: Data Science in Hamburg - Helmholtz Graduate School for the Structure of Matter (2019_IVF-HIDSS-0002) (2019_IVF-HIDSS-0002)
Experiment(s):
  1. LHC: CMS

Appears in the scientific report 2024
Database coverage:
Medline ; Creative Commons Attribution CC BY 4.0 ; OpenAccess ; Clarivate Analytics Master Journal List ; Current Contents - Physical, Chemical and Earth Sciences ; Ebsco Academic Search ; Essential Science Indicators ; IF >= 15 ; JCR ; National-Konsortium ; SCOPUS ; Science Citation Index Expanded ; Web of Science Core Collection
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Observation of quantum entanglement in top quark pair production in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV
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