ヒッグス粒子から生まれた2つのZボソンがもつれていた——片方は「仮想粒子」なのに

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量子もつれと聞いて思い浮かぶのは、たいてい光子のペアです。暗い実験室で、2つの光の粒を離れた場所に飛ばし、片方を測ればもう片方の状態が決まる――そういう絵です。ところがこの現象、もっと重くて、もっと寿命の短い粒子でも起きていました。CERNの大型ハドロン衝突型加速器（LHC）で、ヒッグス粒子が崩壊してできた2つのZボソンのあいだに、量子もつれの強い証拠が見つかったのです。ATLAS実験チームの結果が、2026年9月11日付で『Physical Review Letters』に掲載されました。

加速器の中で見つかった「不気味な遠隔作用」

量子もつれとは、2つの粒子の状態が切り離せなくなる現象です。片方を測ると、もう片方について瞬時に何かが分かる。アインシュタインはこれを「不気味な遠隔作用」と呼んで嫌いましたが、その後の実験で何度も確かめられ、いまでは量子コンピューターや量子通信の土台になっています。

これまで実験で扱われてきたのは、光子・電子・閉じ込めたイオンといった、扱いやすい相手でした。LHCでもつれを探すのはそれとはまったく別のやり方です。陽子どうしをほぼ光速でぶつけ、飛び散った破片の中から、もつれの痕跡を拾い出します。ATLASチームはすでに2023年、トップクォークのペアで量子もつれを初めて観測していました。今回はその舞台をヒッグス粒子の崩壊に移した形です。

ヒッグス粒子が「もつれ製造装置」になる理由

なぜヒッグス粒子なのか。鍵はスピンにあります。スピンは粒子が持つ「自転のようなもの」で、ヒッグス粒子は素粒子のなかで唯一、スピンがゼロです。そのヒッグス粒子が2つのZボソンに崩壊するとき、全体のスピンはゼロのまま保たれなければなりません。つまり2つのZボソンのスピンは、勝手な組み合わせでは出てこられない。足し合わせてゼロになる組み合わせに縛られます。

その組み合わせは一通りではなく、量子力学ではそれらが同時に重なった状態として存在します。2つのZボソンで共有されたこの重ね合わせこそが、もつれの正体です。ヒッグス粒子は「スピンゼロから2つの粒子を生む」という性質のおかげで、生まれつきもつれたペアを吐き出す装置になっているわけです。

Zボソンにはもう一つ、今回の結果を特別にしている点があります。トップクォークのスピンは「上」か「下」の2状態で、量子情報の言葉でいえば量子ビット（キュービット）です。一方、Zボソンはスピン1の粒子で、+1・0・−1の3つの状態を取れます。これは「クトリット」と呼ばれる3準位の系にあたります。素粒子のクトリットどうしでもつれが測定されたのは、これが初めてです。

寿命3×10⁻²⁵秒の粒子のスピンを測る方法

上の図の流れを追うだけなら簡単そうですが、「Zボソンのスピンを測ればよい」という話では終わりません。Zボソンの寿命はおよそ3×10⁻²⁵秒。検出器に届く前に消えてしまうので、スピンを直接測ることはできません。

そこで使うのが、Zボソンが残す手がかりです。今回の解析で扱った崩壊では、Zボソンはそれぞれ2つのレプトン（電子か、その重い親戚のミューオン）に壊れます。ヒッグス粒子1個から、最終的に4つのレプトンが飛び出す。この4本の飛跡なら、ATLAS検出器で精密に追えます。そして、レプトンが飛び出す角度には、親のZボソンがどんなスピン状態だったかの情報が刻まれています。4本の角度から逆算して、2つのZボソンのスピンの相関を組み立て直す――これが手法の骨格です。

ヒッグス粒子が2つのZボソンを経て4つのレプトンになる崩壊は、背景となる雑音が少なく、2012年のヒッグス粒子発見でも決め手になった経路で、「黄金チャンネル」と呼ばれています。ただし起きる頻度はヒッグス崩壊全体の3%ほどしかありません。今回はLHCの第2期（衝突エネルギー13TeV）と、2022〜2024年の第3期（13.6TeV）のデータを合わせて使いましたが、それでも解析に使えた事象はおよそ400にとどまったと報じられています。少ない数から、もつれの模様を読み取る作業でした。

ペアの片方は「仮想粒子」だった

ここで、この結果のいちばん奇妙なところに触れておきます。ヒッグス粒子の質量は約125GeV。Zボソンは1個あたり約91GeVです。2個そろえると182GeVになり、ヒッグス粒子の質量を超えてしまいます。エネルギーが足りないのです。

それでもこの崩壊は起きます。理由は、2つのZボソンのうち少なくとも一方が「仮想粒子」だからです。仮想粒子は、粒子どうしの反応のあいだに一瞬だけ現れ、本来の質量を持たないまま消えていく存在で、自由に飛んでいく粒子として観測することはできません。物理学者のあいだでも、仮想粒子を「本当にそこにあるもの」と見るか、「計算のための道具」と見るかは意見が分かれています。論文中で、質量が軽くなった側のZボソンに星印（Z*）が付いているのは、これが理由です。

その仮想のZボソンが、もう一方のZボソンと、スピンの状態を共有していた。今回の結果はそう言っています。計算上の道具にすぎないはずのものが、スピンという物理量を持ち、それがもつれるという、いかにも粒子らしいふるまいを見せたことになります。

この崩壊でのもつれ検証を早くから提案していた理論物理学者のフアン・アントニオ・アギラル＝サアベドラ氏（スペイン理論物理学研究所）は、この点を「仮想粒子は存在するのか、それとも計算のために頭の中でつくった構成物なのか」という問いにつなげています。氏によれば、今回の結果でその哲学的な問いが決着するわけではないものの、多少の光は当たる。アヒルのように歩き、アヒルのように鳴くなら、それはアヒルだろう――ただし今回のは「仮想のアヒル」だ、というのが氏の言い回しです。

4.7シグマという数字の読み方

今回の結果は「強い証拠」と表現されています。「発見」ではありません。その線引きを決めているのが、シグマ（σ）という数字です。

素粒子物理では、「もつれがない」と仮定したときに、今回のようなデータが偶然の揺らぎで出てくる確率を計算し、それをシグマの数で表します。3シグマなら偶然で出る確率がおよそ0.1%で、「証拠あり」と呼ばれます。5シグマなら約350万分の1で、ここを超えてはじめて「発見」と宣言するのが慣例です。2012年のヒッグス粒子も、この5シグマを超えた時点で発見が発表されました。

今回の最も感度の高い検定では、「もつれていない」という仮説を4.7シグマで退けました。偶然でこの結果が出る確率は、ざっと100万分の1前後です。5シグマにはわずかに届かないので「強い証拠」という言い方になっていますが、解析前の予想値は4.9シグマでしたから、データは理論の予測とほぼ同じ程度の強さでもつれを示したことになります。標準模型が「このくらいもつれているはず」と予言した通りの姿が、限られた400事象の中に現れていた、と読むのが正確です。

不確かさが残るのは、単純に事象の数が少ないからです。もつれの強さを表す2つのパラメータは、統計的な誤差がそのまま結果の誤差になっています。LHCは今後もデータを積み上げますから、この数字が5シグマを超える日は遠くないでしょう。もう一つ残る問いは、ヒッグス粒子の「もつれ製造装置」としての性質を、Wボソンなど別の崩壊経路でも確かめられるかどうかです。ATLASチームはこの結果を、高エネルギーで量子もつれを調べるための自然の実験室として、ヒッグス粒子を使っていく足がかりと位置づけています。

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出典

元論文：ATLAS Collaboration, “Measurements of Z-Boson Pair Entanglement in Decays of Higgs Bosons at the ATLAS Experiment,” Physical Review Letters 137, 111804（2026年9月11日掲載）. DOI: 10.1103/y1nh-1b82／無料で読めるプレプリント版：arXiv:2603.26463

ATLAS実験の解説（一次情報）：ATLAS explores quantum entanglement using Higgs boson decays, while charting its properties（2026年6月5日）

解説記事：ScienceAlert（アギラル＝サアベドラ氏のコメントを掲載）／Phys.org（オックスフォード大学の共著者のコメントを掲載）