ATLAS พบหลักฐานหนักแน่นว่าโบซอน Z จากฮิกส์พัวพันเชิงควอนตัม

ความพัวพันเชิงควอนตัมไม่ได้เกิดขึ้นเฉพาะในระบบเล็ก ๆ ที่ควบคุมได้ในห้องแล็บเท่านั้น ผลล่าสุดจากความร่วมมือ ATLAS ที่ CERN ชี้ว่า แม้ในเศษซากจากการชนโปรตอนพลังงานสูง สปินของโบซอน Z สองตัวซึ่งกำเนิดจากการสลายของโบซอนฮิกส์ก็ยังเชื่อมโยงกันในแบบที่แยกอธิบายเป็นอิสระจากกันไม่ได้ 12

ATLAS วิเคราะห์ข้อมูลการชนโปรตอน–โปรตอนจากเครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่ LHC ที่พลังงานศูนย์กลางมวล 13 และ 13.6 TeV ผลคือหลักฐานหนักแน่น ไม่ใช่การประกาศค้นพบอย่างเป็นทางการ: การทดสอบที่ไวที่สุดปฏิเสธคำอธิบายแบบสถานะแยกขาด หรือไม่พัวพัน ได้ที่ 4.7 ซิกมา ขณะที่ค่าความไวที่คาดไว้ภายใต้การทำนายของแบบจำลองมาตรฐานสำหรับสถานะพัวพันคือ 4.9 ซิกมา 12

4.7 ซิกมาหมายความว่าอย่างไร

ในฟิสิกส์อนุภาค เกณฑ์ตามธรรมเนียมสำหรับเรียกผลหนึ่งว่า “การค้นพบ” คือ 5 ซิกมา ดังนั้นคำอธิบายที่แม่นยำที่สุดของผล ATLAS คือ หลักฐานหนักแน่นของความพัวพัน ไม่ใช่การค้นพบที่ยืนยันเด็ดขาดแล้ว

การทดสอบที่ให้ความไวสูงสุดอาศัยการกระจายเชิงมุมทั้งหมดของผลิตภัณฑ์จากการสลาย และเปรียบเทียบสมมติฐานพัวพันกับไม่พัวพันที่กำหนดไว้อย่างเฉพาะเจาะจง โดยมีข้อสมมติเรื่องรูปแบบเชิงมุมของการสลายตามแบบจำลองมาตรฐานด้วย 12

มองไม่เห็น Z โดยตรง แล้ววัดสปินได้อย่างไร

โบซอน Z มีอายุสั้นยิ่ง จึงไม่ทิ้งร่องรอยเป็นอนุภาคที่เดินทางผ่านเครื่องตรวจวัดได้โดยตรง นักวิจัยจึงติดตาม “ร่องรอยปลายทาง” ของมันผ่านช่องทางการสลายที่สะอาดมาก:

[
H \rightarrow ZZ^* \rightarrow \ell^+\ell^-\ell^+\ell^-
]

ในที่นี้ (\ell) หมายถึงอิเล็กตรอนหรือมิวออน กล่าวคือ สุดท้ายตรวจพบเลปตอนที่มีประจุ 4 ตัว แล้วสร้างทิศทางและมุมของอนุภาคเหล่านั้นกลับขึ้นมา

มุมที่เลปตอนพุ่งออกมาจะเก็บข้อมูลเกี่ยวกับสปินของโบซอน Z ต้นกำเนิดไว้ ATLAS จึงใช้การกระจายเชิงมุมเพื่อสกัดองค์ประกอบของเมทริกซ์ความหนาแน่นสปินของระบบ (ZZ^*) และตรวจสอบความสัมพันธ์เชิงควอนตัมระหว่างโบซอนทั้งคู่ ค่าสัมประสิทธิ์เชิงมุมที่วัดได้สอดคล้องกับคำทำนายของแบบจำลองมาตรฐาน และการวิเคราะห์ข้อมูลเชิงมุมแบบครบถ้วนเป็นส่วนที่ให้หลักฐานแรงที่สุดต่อการปฏิเสธภาพแบบไม่พัวพัน 12

เหตุใดโบซอน Z จึงเป็น qutrit ไม่ใช่ qubit

คำว่า qubit คือระบบควอนตัมที่มีสถานะพื้นฐาน 2 ระดับ แต่โบซอน Z เป็นอนุภาคสปิน 1 ที่มีค่าการฉายสปิน หรือเฮลิซิตี ได้ 3 แบบ: +1, 0 และ −1 ดังนั้น Z แต่ละตัวจึงเป็นระบบควอนตัม 3 ระดับ หรือ qutrit 2

จึงอาจมองการสลายของฮิกส์ในกรณีนี้ว่าให้ระบบ qutrit สองตัวที่มีความสัมพันธ์กัน ความพัวพันที่ ATLAS กำลังทดสอบคือความพัวพันของสถานะสปินร่วมกัน ไม่ใช่เพียงความสัมพันธ์แบบคลาสสิกจากคุณสมบัติที่กำหนดแยกไว้ล่วงหน้า

ทำไมต้องมี Z* หรือโบซอนเสมือน

โบซอนฮิกส์มีมวลราว 125 GeV ขณะที่การสร้างโบซอน Z จริง 2 ตัวพร้อมกันต้องใช้มวลรวมราว 182 GeV ดังนั้นฮิกส์จึงไม่สามารถสลายเป็น Z สองตัวที่อยู่บนเปลือกมวลจริง (on-shell) พร้อมกันได้ 2

ด้วยเหตุนี้ ในกระบวนการ (H\rightarrow ZZ^) อย่างน้อยหนึ่งตัวจึงอยู่นอกเปลือกมวล หรือเป็น โบซอนเสมือน เขียนเป็น (Z^) อย่างไรก็ดี สถานะดังกล่าวไม่ได้ขัดขวางการตรวจสอบความสัมพันธ์ของสปิน เพราะข้อมูลนั้นส่งต่อมายังมุมของเลปตอนที่เกิดจากการสลายของระบบ (ZZ^*) 12

ข้อมูลมากขึ้นจะช่วยอะไร

การวัดนี้อาศัยเหตุการณ์ (H\rightarrow ZZ^*\rightarrow4\ell) ซึ่งหาได้ยาก แม้จะเป็นช่องทางที่สร้างเหตุการณ์กลับขึ้นมาได้อย่างละเอียดก็ตาม หากมีค่าความส่องสว่างสะสมมากขึ้น LHC จะสร้างชุดเหตุการณ์สี่เลปตอนที่ใช้วิเคราะห์ได้มากขึ้น ทำให้ความไม่แน่นอนเชิงสถิติของการกระจายเชิงมุมและพารามิเตอร์สปินลดลง 12

การยกระดับเครื่องตรวจวัด ATLAS และการเดินเครื่อง LHC ความส่องสว่างสูงในอนาคตจึงมีศักยภาพเพิ่มความแม่นยำ ควบคุมความไม่แน่นอนเชิงระบบได้เข้มงวดขึ้น และอาจเพิ่มความไวให้เกิน 5 ซิกมาได้ แต่ยังเป็นแนวโน้มที่สมเหตุสมผล ไม่ใช่ผลลัพธ์ที่รับประกัน เพราะขึ้นกับจำนวนข้อมูลและประสิทธิภาพจริงของการทดลองในอนาคต.