Chúng ta có những dự đoán rất cụ thể về cách các hạt nên phân rã. Nhưng khi quan sát các B meson, có điều gì đó quan trọng không khớp.
B meson là gì và tại sao nó quan trọng?
Chúng ta có những dự đoán rất cụ thể về cách các hạt nên phân rã. Nhưng khi quan sát các B meson, có điều gì đó quan trọng không khớp.
Khi nhắc đến Mô hình chuẩn (Standard model), hầu hết chúng ta nghĩ ngay đến các hạt cơ bản và các lực tạo nên vũ trụ. Điều này không sai – đó là khái niệm cốt lõi! Trong Mô hình chuẩn, danh sách đầy đủ các hạt cần tồn tại bao gồm:
– Sáu flavor của quark (up, down, strange, charm, bottom, top).
– Ba flavor của lepton mang điện tích (electron, muon, tau).
– Ba flavor của lepton không mang điện tích (neutrino electron, neutrino muon, neutrino tau).
– Photon (tương tác điện từ).
– W và Z boson (tương tác hạt nhân yếu).
– Gluon (tương tác hạt nhân mạnh).
– Higgs boson (hạt liên quan đến trường Higgs).
Quark và lepton kết hợp với nhau tạo ra các cấu trúc hợp phần mà chúng ta quen thuộc như proton, neutron, và nguyên tử. Trong khi đó, các boson (tất cả các hạt còn lại) làm nhiệm vụ trung gian giữa các lực tương tác.
Chỉ có một trong những lực đó – lực hạt nhân yếu – có khả năng thay đổi flavor (hay loại) của quark hoặc lepton từ dạng này sang dạng khác. Mục tiêu của các máy gia tốc và va chạm hạt, như Máy Va Chạm Hadron Lớn (LHC) tại CERN, không chỉ là tạo ra các hạt nặng, kỳ lạ tồn tại trong thời gian cực ngắn trước khi phân rã, mà còn để nghiên cứu chi tiết quá trình phân rã của chúng.
Ngoài việc cung cấp thông tin về các hạt và tương tác của chúng, Mô hình chuẩn cũng cho chúng ta biết loại phân rã nào được phép hoặc bị cấm. Ví dụ, Z-boson hoặc bất kỳ dòng trung hòa nào khác không thể thay đổi flavor của quark hoặc lepton. Đồng thời, nó cũng dự đoán tần suất mỗi loại phân rã (gọi là tỷ lệ nhánh) xảy ra.
Chính vì điều này mà B meson trở nên thú vị. Lần đầu tiên, một tập hợp tất cả dữ liệu của LHC về phân rã của B meson (meson chứa quark bottom hoặc antiquark bottom) đã được tổng hợp, và một dấu hiệu hấp dẫn có thể phá vỡ Mô hình chuẩn đã xuất hiện. Đây là lý do tại sao các nhà vật lý hạt – một cách hoàn toàn hợp lý – lại rất hào hứng với khám phá này.
Hệ thống bên trong LHC, nơi các proton di chuyển với tốc độ 299.792.455 m/s theo hai hướng ngược nhau, chỉ chậm hơn tốc độ ánh sáng 3 m/s. Các máy gia tốc hạt như LHC bao gồm các khoang gia tốc, nơi các trường điện được áp dụng để tăng tốc hạt, cùng các phần uốn vòng, nơi các trường từ được sử dụng để hướng các hạt tốc độ cao đến khoang gia tốc tiếp theo hoặc điểm va chạm.
Khi nghĩ về LHC, chúng ta thường liên tưởng đến biên giới năng lượng: nơi các hạt năng lượng cao nhất và tồn tại ngắn nhất trong tự nhiên được tạo ra. LHC là máy gia tốc hạt lớn nhất từng được xây dựng trên Trái Đất, với vòng tròn có chu vi khoảng 27 km. Nó cũng sở hữu nam châm uốn cong mạnh nhất từng được sử dụng trong một máy gia tốc quy mô lớn, với cường độ từ trường lên tới 8,4 Tesla – mạnh hơn từ trường tự nhiên của Trái Đất hơn 100.000 lần.
Điều này cho phép các proton trong LHC, được gia tốc tới năng lượng cao nhất từng đạt được trong phòng thí nghiệm, tạo ra số lượng lớn các hạt nặng, kỳ lạ, không ổn định và tồn tại ngắn. Những hạt này bao gồm quark top, W và Z boson, và tất nhiên, mảnh ghép cuối cùng còn thiếu của Mô hình chuẩn: Higgs boson.
Higgs boson, được phát hiện vào đầu thập niên 2010 bởi hai cộng tác CMS và ATLAS – hai máy dò chính tại LHC – đã được tạo ra hàng ngàn lần tại LHC, với các máy dò này đo lường các sản phẩm phân rã của nó. Cho đến nay, khi tổng hợp tất cả dữ liệu, không có sự sai lệch nào so với các dự đoán của Mô hình chuẩn về hạt Higgs. Ít nhất, về hạt Higgs, Mô hình chuẩn vẫn còn nguyên vẹn.
Biểu đồ so sánh dữ liệu của ATLAS và CMS về tính chất Higgs boson, với các giá trị tham số và các thanh sai số, gợi ý những điểm tương đồng thú vị với B meson có khả năng phá vỡ Mô hình chuẩn.
Các kênh phân rã Higgs quan sát được so với dự đoán của Mô hình chuẩn, dựa trên toàn bộ dữ liệu Run 1 từ ATLAS và CMS. Kết quả này vừa đáng kinh ngạc vừa gây bối rối, vì đến nay vẫn chưa có bằng chứng nào cho thấy tồn tại một Higgs boson thứ hai hoặc một Higgs boson không thuộc Mô hình chuẩn.
Tuy nhiên, CMS và ATLAS không phải là những máy dò duy nhất tại LHC. Dù Higgs boson (cùng với quark top và W, Z boson) có thể là những hạt nặng nhất và khó tạo ra nhất trong Mô hình chuẩn, nhưng chúng không phải là những hạt duy nhất đáng quan tâm.
Bất cứ khi nào hai hạt va chạm với nhau, dù đó là các hạt hợp phần (như proton) hay hạt cơ bản (như electron), thì va chạm này có thể tạo ra các hạt mới theo công thức E = mc² của Einstein. Nếu có đủ năng lượng dư thừa – tức năng lượng còn lại sau khi đáp ứng các yêu cầu bảo toàn cần thiết – thì các hạt mới, bao gồm quark/ phản quark mới, lepton/ phản lepton mới, và/ hoặc boson mới, đều có thể được tạo ra.
Tạo ra và quan sát các hạt nặng
Những hạt khó tạo ra nhất là những hạt có khối lượng lớn nhất:
– Quark top và phản quark top (~173 GeV/c² mỗi hạt).
– Higgs boson (~126 GeV/c²).
– Z-boson (~91 GeV/c²).
– W-boson (bao gồm cả hai phiên bản mang điện tích dương và âm, ~80 GeV/c² mỗi hạt).
Các hạt này thường phân rã rất nhanh, nhưng ngay sau khi được tạo ra, chúng di chuyển chậm hơn nhiều so với tốc độ ánh sáng. Vì cần rất nhiều năng lượng để tạo ra chúng, ngay cả trong một máy gia tốc như LHC, việc tạo ra chúng với động năng lớn là rất khó.
Các hạt nhẹ hơn, sản phẩm phân rã của những hạt nặng này, hoặc phần còn lại của các proton ban đầu (di chuyển với tốc độ ~299.792.455 m/s trước va chạm), sẽ di chuyển nhanh hơn.
Khối lượng nghỉ của các hạt cơ bản trong vũ trụ quyết định khi nào và trong điều kiện nào chúng có thể được tạo ra, đồng thời liên quan đến thời gian tồn tại của chúng sau khi được tạo ra trong giai đoạn Big Bang nóng. Hạt càng nặng, thời gian tồn tại của nó trong vũ trụ sơ khai càng ngắn, và tuổi thọ của nó càng thấp.
Nhưng nếu bỏ qua bốn loại hạt nặng này và đặt câu hỏi Hạt nặng tiếp theo là gì?, câu trả lời sẽ khá bất ngờ: đó là quark bottom và phản quark bottom, nhưng chúng chỉ có khối lượng khoảng 5% so với W-boson, tức nằm trong khoảng ~4 đến 5 GeV/c².
Không giống như quark top, vốn phân rã sau chưa đầy một yoctosecond (10⁻²⁴ giây) – quá ngắn để hình thành các hadron như baryon hay meson – quark bottom tồn tại khoảng một picosecond (10⁻¹² giây). Dù khoảng thời gian này có vẻ cực ngắn, nhưng nó dài hơn hơn một nghìn tỷ lần so với tuổi thọ của quark nặng nhất.
Do đó, quark bottom (và phản quark bottom) luôn hình thành các hadron, bao gồm baryon, phản baryon, hoặc meson.
Với khối lượng tương đối nhẹ so với các hạt nặng nhất trong Mô hình chuẩn, các hạt chứa quark bottom hoặc phản quark bottom được tạo ra tại LHC (nơi proton va chạm với proton ở mức năng lượng ~14 TeV, tương đương ~14.000 GeV) luôn di chuyển gần với tốc độ ánh sáng.
Các hạt này vẫn có thể được phát hiện bởi CMS hoặc ATLAS, và thực tế đã được quan sát, nhưng có một máy dò khác phù hợp hơn để đo lường các hadron chứa quark bottom (hoặc phản quark bottom): LHCb.
Máy dò khổng lồ này nặng 5600 tấn và dài hơn 21 mét (65 feet). Được vận hành bởi hơn 1500 nhà khoa học, LHCb có khả năng tái dựng đường đi của các hạt và mảnh vỡ, cũng như quan sát các phân rã từ các hạt hợp phần chứa quark bottom (hoặc phản quark bottom).
Máy dò LHCb, nặng 5600 tấn, dài 21 mét, cao 10 mét, rộng 13 mét, được tối ưu để phát hiện và nghiên cứu các hạt (và phân rã của chúng) chứa quark bottom. Hiện tại, có hơn 1500 nhà khoa học, kỹ sư và kỹ thuật viên làm việc trong cộng tác LHCb.
Quy tắc của Mô hình chuẩn với Quark Bottom
Theo Mô hình chuẩn, các hạt này phải tuân theo một số quy tắc. Quark bottom (hoặc phản quark bottom) chỉ có thể phân rã thành các sản phẩm chứa quark up (hoặc phản quark up) hoặc quark charm (hoặc phản quark charm); không có khả năng nào khác được phép.
Điện tích phải được bảo toàn, cũng như năng lượng và động lượng của tất cả các sản phẩm sinh ra từ phân rã.
Nếu hình thành một loại hadron cụ thể – như meson – chứa quark bottom (hoặc phản quark bottom), thì phản quark (hoặc quark) đi cùng trong meson đó phải thuộc một trong các loại: up, down, strange, charm hoặc bottom. Một lần nữa, không có khả năng nào khác được phép.
Mô hình chuẩn đặt ra các quy tắc phức tạp điều chỉnh việc phân rã của các hạt chứa quark bottom (hoặc phản quark bottom). Đặc biệt, các meson kết hợp quark bottom/ phản quark bottom với một trong ba loại phản quark/ quark rất nhẹ (up, down, hoặc strange) thường phân rã thành hai meson khác.
Trong số đó, pion (được tạo thành từ các quark up và down, bao gồm các dạng π+ tích điện dương, π0 trung hòa, và π – tích điện âm) và kaon (bao gồm một quark hoặc phản quark strange, với bốn dạng: K+, K –, kaon trung hòa ngắn K short, và kaon trung hòa dài K long) là hai loại rất phổ biến.
Dù có hàng chục cách phân rã khả dĩ cho các B meson (tất cả các meson có ít nhất một quark hoặc phản quark bottom), những trường hợp phân rã thành pion và/ hoặc kaon có thể được chia thành hai nhóm lớn:
– Nhóm mà tổng số quark và phản quark strange không thay đổi trong quá trình phân rã.
– Nhóm mà tổng số quark và phản quark strange thay đổi ±1.
Một thuộc tính của Mô hình chuẩn ít được chú ý là tính phổ quát về flavor. Điều này có nghĩa là các tương tác của Mô hình chuẩn áp dụng đồng đều, với cùng cường độ và đặc điểm, cho tất cả các loại hạt cùng loại.
Tương tác giữa electron, muon, và tau được cho là phổ quát, được gọi là tính phổ quát về flavor lepton. Từ đầu những năm 2010, đã có những câu hỏi nghiêm túc về việc liệu tính phổ quát về flavor lepton có bị phá vỡ bởi các phân rã B meson liên quan đến lepton (đặc biệt là muon hoặc electron).
Chỉ đến năm 2022, các nhà khoa học mới phát hiện ra một loạt các nền nhiễu bị nhận diện sai. Sau khi được hiệu chỉnh đúng, tính phổ quát về lepton được khôi phục. Sau hơn một thập kỷ nghiên cứu, các phân rã B meson cuối cùng đã phù hợp với Mô hình chuẩn.
Tính phổ quát về flavor quark là một khái niệm tương tự nhưng ít được chú ý hơn. Theo các tương tác mạnh, điện từ, và dòng yếu trung hòa (liên quan đến Z-boson), các quark cũng tuân theo tính phổ quát về flavor.
Dù các phân rã B meson không phổ quát, điều này là do các quy tắc cụ thể trong Mô hình chuẩn về cách quark hòa trộn với nhau. Khi xem xét các tham số trong ma trận CKM, ta có thể tính toán tần suất mong đợi để B meson (dù được tạo ra có hoặc không có quark/ phản quark strange bên trong) sinh ra sản phẩm phân rã có cùng số lượng quark/ phản quark strange hoặc thay đổi ±1 so với giá trị ban đầu.
Theo các tác giả của một nghiên cứu mới công bố vào cuối tháng 11 năm 2024 trên tạp chí Physical Review Letters, tất cả các phân rã của B meson thành:
– Hai pion.
– Hai kaon.
– Hoặc một pion và một kaon.
Đều được liên kết với nhau qua một đối xứng về flavor giữa quark up, down, và strange: một ví dụ về đối xứng flavor SU(3) trong vật lý hạt.
20 năm trước, để tính toán ý nghĩa của đối xứng này với các tỉ lệ phân rã và nhánh của B meson, người ta cần đưa ra các giả định và xấp xỉ.
Tuy nhiên, hiện nay, với dữ liệu phong phú về B meson, không còn cần đến các giả định này. Các nhà khoa học giờ đây có thể xác định:
– Dự đoán của Mô hình chuẩn về đối xứng flavor SU(3) sẽ mang lại gì cho các tỉ lệ phân rã khác nhau này.
– Các phân rã B meson quan sát được, khi đi vào hai pion, hai kaon, hoặc một pion và một kaon, có phù hợp với các dự đoán đó không.
– Hoặc liệu các phân rã quan sát được có cho thấy sự khác biệt so với dự đoán của Mô hình chuẩn.
Đây là một kiểu kiểm tra áp lực mới đối với Mô hình chuẩn – bức tranh hiện đại về vật lý hạt, vốn đã vượt qua tất cả các thử thách trước đó.
Phân rã B meson và các kênh phân rã Lepton
Sự kiện này cho thấy một ví dụ về phân rã hiếm gặp của B meson có liên quan đến electron và positron như một phần trong các sản phẩm phân rã của chúng, được quan sát bởi máy dò LHCb. Các kênh phân rã lepton cho B meson đã từng thách thức Mô hình chuẩn trong quá khứ, nhưng cuối cùng lại hóa ra chỉ là ảo ảnh. Tuy nhiên, các kênh phân rã hadron vẫn là một hướng tiềm năng có thể thách thức Mô hình chuẩn.
Lý do tại sao chúng ta có thể thực hiện loại kiểm tra áp lực này bây giờ, trong khi trước đây chúng ta không thể, là vì chỉ đến bây giờ chúng ta mới có đủ số lượng các quan sát đo đạc để ràng buộc tất cả các tham số đi kèm với Mô hình chuẩn và đối xứng flavor đặc biệt này. Khi chúng ta đặt câu hỏi về các phân rã cụ thể – tức là khi một loài B meson cụ thể phân rã thành một tập hợp sản phẩm cụ thể – chúng ta cần một số lượng lớn các quan sát đo đạc, bao gồm:
– Tỉ lệ phân nhánh,
– Các bất đối xứng CP trực tiếp,
– Và các bất đối xứng CP gián tiếp,
Hơn là số lượng các tham số lý thuyết chưa biết, bao gồm:
– Độ lớn,
– Và các pha mạnh tương đối.
Đối với các phân rã mà sự kỳ lạ (số lượng quark/ phản quark strange) được bảo toàn và đối với các phân rã mà sự kỳ lạ bị vi phạm ±1, có 13 tham số lý thuyết chưa biết cho mỗi loại: 7 độ lớn và 6 pha mạnh tương đối. Chỉ đến bây giờ, trong phân tích mới nhất này, chúng ta có nhiều quan sát đo đạc hơn (cung cấp các mối quan hệ, giống như các phương trình, giữa các tham số chưa biết) so với số tham số chưa biết: 15 quan sát đo đạc cho mỗi loại. Điều này được minh họa trong bảng dưới đây, trích từ bài báo liên quan, trong đó nửa trên hiển thị các phân rã bảo toàn kỳ lạ (bạn có thể đếm 15 mục cho các tham số đo đạc) và nửa dưới hiển thị các phân rã vi phạm kỳ lạ (một lần nữa, bạn có thể đếm 15 mục).
Bảng chính của phân tích, trong đó các phân rã bảo toàn kỳ lạ của B meson (nửa trên) và các phân rã vi phạm kỳ lạ của B meson (nửa dưới) mỗi loại đều yêu cầu 13 đầu vào. Với 15 mục hiện đã được đo đạc một cách chắc chắn cho mỗi phần trong bảng, chúng ta cuối cùng có dữ liệu đủ tốt để kiểm tra Mô hình chuẩn với các phân rã B meson.
Đó là điều tốt; có nghĩa là chúng ta có thể đưa lý thuyết của mình vào một bài kiểm tra thực nghiệm! Chúng ta có thể xem dữ liệu này khớp (hoặc mâu thuẫn với) Mô hình chuẩn như thế nào, và chúng ta có thể thấy nó theo nhiều cách khác nhau. Ba cách đặc biệt thú vị là:
– Đặt câu hỏi liệu các phân rã bảo toàn kỳ lạ có phù hợp với Mô hình chuẩn hay không,
– Đặt câu hỏi liệu các phân rã vi phạm kỳ lạ có phù hợp với Mô hình chuẩn hay không,
– Và sau đó, liệu các phân rã bảo toàn kỳ lạ và vi phạm kỳ lạ có phù hợp với nhau không.
Câu trả lời cho câu hỏi đầu tiên, dựa trên dữ liệu mới nhất, là có. Và câu trả lời cho câu hỏi thứ hai, dựa trên dữ liệu mới nhất, cũng là có. Nhưng câu trả lời cho câu hỏi thứ ba lại là không, ít nhất theo nghiên cứu mới nhất này.
Câu hỏi tiếp theo là, nếu có sự không khớp, sự khác biệt hoặc không nhất quán này quan trọng như thế nào?
Độ ý nghĩa trong thông báo phát hiện
Trong vật lý hạt nhân, chuẩn mực vàng để công bố một phát hiện được thể hiện qua độ ý nghĩa: độ ý nghĩa 5-σ. Nếu chúng ta nhận được một tín hiệu mạnh mẽ mà mâu thuẫn với Mô hình chuẩn với độ ý nghĩa lớn hơn 5-σ, thì chúng ta có bằng chứng thuyết phục rằng có điều gì đó trong thế giới vật lý hạt nhân không phù hợp với, và buộc chúng ta phải vượt qua, những lý thuyết vật lý đã chi phối sự hiểu biết của chúng ta về Vũ Trụ trong hơn nửa thế kỷ qua.
Hiển thị các đóng góp của χ² từ các quá trình phân rã khác nhau, gợi ý về cách một số B meson có thể làm phá vỡ Mô hình chuẩn. Các cột đại diện cho các quá trình khác nhau, được đánh dấu dưới trục hoành, bao gồm cả khi có và không có các ràng buộc.
Đóng góp chính của các kênh phân rã có sự mâu thuẫn với các đóng góp mong đợi từ vật lý Mô hình chuẩn trong phân rã B meson. Lưu ý rằng, ở phía bên phải, giả định về các ràng buộc bổ sung làm tăng độ ý nghĩa, nhưng tính hợp lý của những giả định này không được đảm bảo.
Không có các giả định về ràng buộc bổ sung, đây là phương pháp thận trọng nhất, kết quả mới nhất này đạt được độ ý nghĩa 3.6-σ. Với giả định về một ràng buộc đến từ các tính toán các tham số phát sinh trong QCD, độ ý nghĩa này tăng lên 4.4-σ: gần sát với ngưỡng 5-σ nổi tiếng, nhưng vẫn có một chút nghi ngờ vì những không chắc chắn có hệ thống và do đó chưa hẳn thuyết phục mọi người. Như các tác giả đã nói:
Tóm lại, giả sử đối xứng flavor SU(3) không bị phá vỡ, một phép phù hợp toàn cầu với tất cả dữ liệu [B meson phân rã thành hai pions, hai kaons, hoặc một kaon và một pion] cho thấy sự khác biệt với [dự đoán đối xứng flavor SU(3) của Mô hình chuẩn] ở mức độ 3.6𝜎. Sự khác biệt này có thể được loại bỏ bằng cách cho phép các hiệu ứng phá vỡ [đối xứng flavor], nhưng yêu cầu phải có sự phá vỡ đối xứng flavor 1000%, tức là các tham số bằng nhau trong giới hạn [đối xứng flavor] giờ đây phải khác nhau một yếu tố 10. Các kết quả này là chặt chẽ về lý thuyết nhóm – không có giả định động lực học nào được đưa ra. […] Đây là những bất thường trong các phân rã hadron 𝐵. Chúng mạnh mẽ gợi ý rằng có vật lý mới xuất hiện trong những phân rã này.
Cần có thêm dữ liệu và các phân tích độc lập của dữ liệu đó để xác nhận điều này, nơi có thể một ngày nào đó, sức mạnh của bất thường này sẽ thực sự đạt đến ngưỡng 5-σ cần thiết. Mô hình chuẩn vẫn còn nguyên vẹn cho đến nay, nhưng nếu thiên nhiên ưu ái chúng ta, gợi ý về vật lý ngoài Mô hình chuẩn này sẽ chỉ ra con đường dẫn đến sự hiểu biết sâu sắc hơn về Vũ Trụ vật lý của chúng ta.
