Dấu vết vướng víu lượng tử của hai boson Z ngắn ngủi
Hai boson Z biến mất gần như ngay sau khi được tạo ra, vì vậy các nhà vật lý không thể giữ chúng lại để đo như photon hay ion trong những thí nghiệm lượng tử quen thuộc. Cách kiểm tra nằm ở những gì chúng để lại: electron hoặc muon bay qua máy dò ATLAS theo các hướng nhất định. Từ những góc bay ấy, nhóm nghiên cứu tái dựng spin của hai boson Z và tìm kiếm kiểu tương quan mà trạng thái vướng víu lượng tử dự đoán. [1]
Nói cách khác, đây không phải hình ảnh chụp trực tiếp hai hạt đang vướng víu. Đó là một chuỗi suy luận từ tín hiệu đo được đến trạng thái lượng tử trước đó. Điều đáng chú ý là chuỗi suy luận này được thực hiện trong các vụ va chạm proton thuộc nhóm môi trường năng lượng cao nhất từng được tạo ra trong phòng thí nghiệm. [1]
Hai boson Z xuất hiện từ đâu?
Điểm khởi đầu là Máy Va chạm Hadron Lớn, hay LHC, tại CERN gần Geneva. Trong thí nghiệm được mô tả, các proton chuyển động ở 99,99% tốc độ ánh sáng và va chạm với năng lượng đạt 13 nghìn tỷ electron volt. Một số vụ va chạm tạo ra boson Higgs, hạt đã được phát hiện tại LHC vào năm 2012. [1]
Boson Higgs có thể phân rã thành hai boson Z. Mỗi boson Z sau đó tiếp tục phân rã, tạo thành các cặp electron hoặc muon. Vì thế, điều máy dò thực sự ghi nhận không phải là hai boson Z tồn tại nguyên vẹn, mà là các hạt mang dấu vết của quá trình phân rã theo chuỗi: Higgs, hai boson Z, rồi electron hoặc muon. [1]
Có thể hình dung bằng một ví dụ đơn giản: nếu một vật dễ vỡ đã biến mất trước khi ta nhìn thấy, hướng và vị trí của các mảnh văng ra vẫn có thể cung cấp thông tin về trạng thái của vật ngay trước lúc vỡ. Ví dụ này chỉ minh họa cách suy ngược; boson Z và sản phẩm phân rã của nó tuân theo các quy tắc lượng tử, không phải cơ học của một vật vỡ thông thường.
Vì sao hạt đã biến mất vẫn có thể được nghiên cứu?
Tuổi thọ cực ngắn của boson Z khiến phép đo trực tiếp trạng thái của nó trở nên bất khả thi theo nghĩa thông thường. Tuy nhiên, sự phân rã không xóa sạch mọi thông tin. Phân bố hướng bay của electron và muon phụ thuộc vào trạng thái spin của hạt mẹ, nên các sản phẩm cuối cùng đóng vai trò như dấu vết có thể đọc được sau khi boson Z không còn tồn tại. [1]
Spin là một tính chất lượng tử nội tại, không nên hiểu đơn giản là hạt đang tự quay như một quả cầu nhỏ. Trong phép phân tích này, điều quan trọng không phải dựng lại một chuyển động quay hữu hình, mà là xác định những khả năng spin phù hợp với các góc đã đo. ATLAS có khả năng ghi nhận chính xác electron và muon, tạo cơ sở cho bước suy ngược đó. [1]
Một sự kiện riêng lẻ chỉ cho biết vài hạt đã bay theo những hướng cụ thể. Muốn nhận ra cấu trúc lượng tử, các nhà vật lý phải xét nhiều sự kiện cùng loại và nghiên cứu cách các góc phân bố. Mẫu hình của cả tập hợp mới cho phép phân biệt một tương quan có hệ thống với sự trùng hợp ở một lần va chạm riêng biệt. [1]
Các góc bay tiết lộ spin như thế nào?
Nhóm nghiên cứu phân tích góc mà electron hoặc muon đi ra sau các phân rã. Từ thông tin hình học này, họ tái dựng spin của từng boson Z trong cặp. Đây là bước nối giữa dữ liệu mà máy dò nhìn thấy và đại lượng lượng tử cần kiểm tra: máy không đo một nhãn ghi sẵn trên boson Z, mà đo quỹ đạo của các sản phẩm rồi suy ra trạng thái phù hợp. [1]
Điểm mấu chốt nằm ở việc so sánh hai phía của cùng một chuỗi phân rã. Nếu chỉ tái dựng từng boson Z riêng rẽ, phép đo mới mô tả trạng thái của từng hạt. Để xét vướng víu, các nhà vật lý phải xem spin được tái dựng của hai hạt liên hệ với nhau ra sao, tức những kết quả ở một phía có đi kèm một mẫu hình đặc trưng ở phía còn lại hay không. [1]
Có thể hình dung một bảng ghi rất lớn, trong đó mỗi hàng chứa các hướng bay đo được từ một sự kiện. Từng hàng riêng lẻ khó nói lên nhiều điều; cấu trúc chỉ lộ ra khi đối chiếu toàn bộ các hàng. Đây là ví dụ minh họa cho vai trò của phân bố thống kê, không phải bản mô phỏng dữ liệu ATLAS hay công thức phân tích thực tế.
Tương quan nào được xem là dấu hiệu vướng víu?
Vướng víu lượng tử xảy ra khi hai hạt chia sẻ các tính chất theo cách khiến phép đo trên hạt này cung cấp thông tin về hạt kia. Trong trường hợp hai boson Z, nhóm nghiên cứu kiểm tra xem tương quan giữa các spin tái dựng có phù hợp với tương quan được kỳ vọng từ một trạng thái vướng víu hay không. Kết quả mang lại bằng chứng mạnh rằng câu trả lời là có. [1]
Cách diễn đạt “bằng chứng mạnh” rất quan trọng. Quan sát trực tiếp là các electron, muon và góc bay của chúng; spin của boson Z là đại lượng được tái dựng; còn vướng víu là cách diễn giải mẫu tương quan thu được theo cơ học lượng tử. Ba tầng này liên kết chặt chẽ nhưng không nên nhập thành tuyên bố rằng máy dò đã nhìn thấy một sợi dây vô hình nối hai hạt. [1]
Phép đo cũng không có nghĩa một kết quả đơn lẻ đủ để nhận diện vướng víu. Giá trị nằm ở mẫu tương quan giữa nhiều phân rã, được đem so với dự đoán cho trạng thái lượng tử. Vì vậy, dấu vết tồn tại lâu hơn chính các boson Z không phải một vật thể còn sót lại, mà là cấu trúc trong dữ liệu của những sản phẩm phân rã. [1]
Kết quả mở rộng giới hạn nào của phép thử lượng tử?
Vướng víu từng được quan sát trong các hệ gồm photon, electron và ion bị giữ. Thí nghiệm ATLAS đưa câu hỏi ấy sang một bối cảnh khác hẳn: hai hạt rất nặng, tồn tại cực ngắn và sinh ra trong va chạm năng lượng cao. Công trình được công bố trên Physical Review Letters và được mô tả là một trong những xác nhận vướng víu lượng tử ở mức năng lượng cao nhất từng đạt được. [1]
Ý nghĩa của kết quả không nằm ở việc boson Z sẽ thay thế các hệ dùng trong máy tính lượng tử. Nó cho thấy những khái niệm của khoa học thông tin lượng tử có thể được áp dụng để đọc dữ liệu máy gia tốc và kiểm tra hành vi lượng tử trong điều kiện cực hạn. Trước đó, ATLAS cũng đã dùng hướng tiếp cận này để chứng minh vướng víu giữa các cặp quark đỉnh vào năm 2023. [1]
Các nâng cấp của máy dò ATLAS và LHC độ sáng cao được kỳ vọng tạo ra tập dữ liệu lớn hơn, mở thêm cơ hội tìm các mẫu lượng tử tinh tế. Trước mắt, thành tựu đáng nhớ hơn cả là phương pháp: những hạt không sống đủ lâu để được quan sát trực tiếp vẫn có thể để lại một “chữ ký” lượng tử trong hướng bay của các hạt xuất hiện sau chúng. [1]