ATLAS ghi nhận bằng chứng mạnh về rối lượng lượng tử giữa hai boson Z từ phân rã Higgs

Hợp tác ATLAS tại CERN đã công bố những phép đo đầu tiên về rối lượng lượng tử giữa spin của một cặp boson Z sinh ra khi boson Higgs phân rã. Kết quả là bằng chứng mạnh cho thấy trạng thái lượng tử chung của hai boson Z không thể được mô tả như hai trạng thái riêng rẽ, độc lập. 12

Tín hiệu mạnh 4,7 sigma, nhưng chưa phải “khám phá”

ATLAS kết hợp dữ liệu va chạm proton–proton ở năng lượng khối tâm 13 TeV và 13,6 TeV tại Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC). Trong phép kiểm tra nhạy nhất, sử dụng toàn bộ phân bố góc của các hạt tạo thành sau phân rã, giả thuyết hai Z ở trạng thái không rối bị bác bỏ ở mức 4,7 độ lệch chuẩn (sigma). Độ nhạy kỳ vọng nếu trạng thái rối tuân theo Mô hình Chuẩn là 4,9 sigma. 12

Trong vật lý hạt, ngưỡng 5 sigma thường được dùng để gọi một kết quả là “khám phá”. Vì vậy, cách diễn đạt chính xác ở đây là bằng chứng mạnh, chứ chưa phải xác nhận ở cấp độ khám phá. Phép kiểm tra dùng toàn bộ phân bố góc cũng so sánh các giả thuyết rối và không rối cụ thể, đồng thời dựa trên những giả định về đặc điểm góc của phân rã theo Mô hình Chuẩn. 12

Làm sao đo được hạt biến mất gần như tức thì?

Boson Z sống quá ngắn để được quan sát trực tiếp như một hạt bay qua đầu dò. Thay vào đó, ATLAS khai thác kênh phân rã sạch và có thể tái dựng đầy đủ:

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

Trong đó, (\ell) là electron hoặc muon. Nhóm nghiên cứu tái dựng quỹ đạo và các góc của bốn lepton mang điện trong sự kiện. Phân bố góc của các hạt con từ phân rã Z vẫn lưu giữ dấu vết của spin boson Z ban đầu. Từ đó, các nhà vật lý có thể rút ra thông tin về ma trận mật độ spin của hệ (ZZ^*) và các tương quan lượng tử của nó. 12

ATLAS đã đo những đại lượng góc nhạy với các thành phần này. Các hệ số thu được phù hợp với dự đoán của Mô hình Chuẩn; còn phân tích bổ sung dùng toàn bộ thông tin góc mang lại bằng chứng mạnh nhất chống lại mô tả không rối. 12

Vì sao boson Z là qutrit chứ không phải qubit?

Một qubit có hai trạng thái cơ sở. Boson Z có spin 1 và có ba khả năng chiếu spin, hay helicity: +1, 0 và −1. Vì vậy, mỗi Z là một hệ lượng tử ba mức, được gọi là qutrit, thay vì qubit hai mức. 2

Do đó, phân rã Higgs tạo ra một hệ gồm hai qutrit có tương quan. Rối lượng tử ở đây là rối giữa các trạng thái spin chung của hai hạt, không chỉ là tương quan cổ điển có thể giải thích bằng các trạng thái độc lập đã tồn tại từ trước.

Tại sao một boson Z phải là hạt ảo?

Boson Higgs có khối lượng khoảng 125 GeV, trong khi hai boson Z “thật” — tức cùng ở trạng thái on-shell — cần tổng khối lượng khoảng 182 GeV. Vì thế, Higgs không thể phân rã thành đồng thời hai boson Z on-shell. Trong quá trình (H \rightarrow ZZ^), ít nhất một boson Z phải ở trạng thái off-shell, thường gọi là hạt ảo và ký hiệu là (Z^). 2

Điều này không ngăn cản việc đo tương quan spin: thông tin vẫn được truyền sang các góc của những lepton tạo ra trong chuỗi phân rã (ZZ^*). 12

Dữ liệu nhiều hơn có thể thay đổi điều gì?

Phép đo dựa vào kênh bốn lepton hiếm gặp nhưng rất “sạch”, nghĩa là có thể tái dựng đầy đủ. Độ sáng tích phân lớn hơn sẽ đem lại nhiều sự kiện (H \rightarrow ZZ^* \rightarrow 4\ell) hơn, từ đó làm giảm sai số thống kê trong các phân bố góc và tham số spin. 12

Các đợt vận hành tương lai của LHC độ sáng cao cùng những nâng cấp của ATLAS vì thế có thể cải thiện độ chính xác, kiểm soát sai số hệ thống chặt chẽ hơn và tăng độ nhạy vượt qua mốc 5 sigma. Đây là một triển vọng hợp lý, không phải kết quả được bảo đảm, vì còn phụ thuộc vào số sự kiện thu thập được và hiệu năng thực tế của thí nghiệm.