Ma trận
Senior Member
Nguồn:Những phát hiện mới từ thí nghiệm STAR tại Máy gia tốc va chạm ion nặng tương đối tính (RHIC) đang thách thức một quan điểm quen thuộc về điều tạo nên một trong những đặc tính lượng tử đặc trưng của proton. Kết quả cho thấy rằng gluon, các hạt đóng vai trò như chất kết dính giữ các quark lại với nhau, có thể đóng vai trò quan trọng trong việc mang và bảo toàn số baryon.
"Theo truyền thống, các nhà khoa học đã biết rằng proton hay neutron được cấu tạo từ 3 quark hóa trị, và mỗi quark mang một phần ba (1/3) số baryon, (do đó proton hay neutron sẽ có số baryon bằng 1)" Zhangbu Xu, giáo sư tại Đại học Kent State kiêm nhiệm tại Phòng thí nghiệm Brookhaven, cho biết.
Theo quy ước, người ta cho rằng số baryon được mang bởi ba quark hóa trị cấu thành nên baryon đó. Nhưng giờ đây, sau nhiều thập kỷ không chắc chắn, một nghiên cứu đột phá mới sử dụng va chạm hạt năng lượng cao đã cung cấp một số bằng chứng thực nghiệm mạnh mẽ nhất từ trước đến nay chống lại mô hình quark hóa trị đơn giản này .
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Science ủng hộ ý tưởng rằng số baryon thực chất được mang trong "điểm nối baryon" hình chữ Y của một hạt, được hình thành bởi các gluon đóng vai trò như chất kết dính để giữ các baryon lại với nhau.
Một ý tưởng đã có từ nhiều thập kỷ trước về gluon
Các nhà vật lý lần đầu tiên đề xuất khớp nối baryon, còn được gọi là khớp nối gluon (baryon junction), vào những năm 1970 như một cách để mô tả cách các gluon kết nối các quark hóa trị bên trong một proton. Năm 1996, bốn năm trước khi RHIC bắt đầu hoạt động, Dmitri Kharzeev, một nhà vật lý lý thuyết tại Đại học Stony Brook và Phòng thí nghiệm Brookhaven, đã đề xuất rằng khớp nối này có thể thực hiện một điều gì đó thậm chí còn cơ bản hơn. Thay vì các quark hóa trị mang số baryon, chính khớp nối này có thể chịu trách nhiệm cho điều đó.
Mặc dù baryon junction đã được đề xuất vào những năm 1970 , nhưng các nhà vật lý vẫn chưa thể kiểm chứng một cách đúng đắn liệu số baryon được mang bởi các quark hóa trị hay chính bởi khớp nối baryon.
"Ba đầu của liên kết baryon được kết nối với các quark hóa trị, khiến cho trong hầu hết các quá trình vật lý, người ta không thể phân biệt được liệu liên kết hay các quark hóa trị mang số baryon", các nhà nghiên cứu viết .
"Vì lý do đó, cả hai kịch bản đều chưa được xác minh một cách chắc chắn bằng thực nghiệm."
Nhóm hợp tác STAR hiện đã phát triển một phương pháp để kiểm tra khả năng số baryon được mang bởi chính liên kết baryon thay vì các quark hóa trị bằng cách sử dụng một số loại va chạm hạt năng lượng cao được tạo ra tại RHIC.
"Sử dụng dữ liệu thu thập từ các loại va chạm hạt khác nhau tại RHIC, kết quả của chúng tôi cho thấy số baryon không chỉ đơn thuần được mang bởi các quark riêng lẻ," Xu nói thêm. "Phát hiện của chúng tôi ủng hộ mạnh mẽ ý tưởng rằng số lượng baryon được mang và vận chuyển thuận lợi hơn bởi các gluon, các hạt liên kết các quark lại với nhau, khi được sắp xếp theo cấu hình đặc biệt này."
Hình ảnh minh họa hai quan điểm trái ngược nhau về vị trí phân bố số baryon của một hạt. (Nhóm hợp tác STAR, Science, 2026)
Tại sao số Baryon lại quan trọng
Việc xác định yếu tố thực sự mang số baryon có ý nghĩa quan trọng hơn nhiều so với cấu trúc bên trong của một proton. Trong các va chạm RHIC, định luật bảo toàn số lượng baryon có nghĩa là tổng số lượng baryon, phải không thay đổi trước và sau va chạm. Nguyên tắc bảo toàn tương tự cũng áp dụng trên quy mô vũ trụ.
“Kể từ Vụ Nổ Lớn, tổng số proton và neutron không hề thay đổi theo thời gian, [bảo toàn số baryon toàn vũ trụ]” Nicole Lewis, một nhà vật lý thuộc dự án STAR tại Đại học Rice, người bắt đầu dự án này khi còn là nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Phòng thí nghiệm Brookhaven vào năm 2020, cho biết. “Lý do cho sự bảo toàn này vẫn chưa được hiểu rõ. Đó là một trong những bí ẩn của vũ trụ, liên quan đến lý do tại sao chúng ta có nhiều vật chất hơn phản vật chất,” bà nói.
Định luật bảo toàn số lượng baryon cũng có một hệ quả thiết thực hơn nhiều. Nó giúp giải thích sự ổn định phi thường của các proton, thành phần trung tâm của hạt nhân nguyên tử và dường như không bị phân rã trong điều kiện bình thường.
"Người ta tin rằng tuổi thọ của một proton dài hơn tuổi thọ của vũ trụ," Lewis nói. "Điều này cho phép các hạt nhân nguyên tử hình thành và ổn định"
Một proton phức tạp hơn
Khả năng các gluon mang số baryon sẽ lật đổ mô tả đơn giản hóa tiêu chuẩn được tìm thấy trong nhiều sách giáo khoa. Theo mô tả đó, một proton có số baryon là cộng một, được chia đều cho ba quark hóa trị chính của nó. Do đó, mỗi quark mang cộng một phần ba số baryon, tương tự như điện tích của proton được phân bố giữa ba quark hóa trị của nó.
Nhưng các proton thực tế phức tạp hơn nhiều so với mô hình đơn giản đó.
"Trong mô hình quark đơn giản, bên trong một proton chỉ có ba quark, chứ không có gì khác," Tommy Tsang, cựu nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Đại học Kent State, hiện đang làm việc tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, cho biết. "Nhưng nếu chúng ta xem xét chi tiết bên trong, thì không chỉ có ba quark mà còn có rất nhiều gluon tương tác, kết nối giữa các quark đó, và cũng có các quark và phản quark xuất hiện từ chân không, vì vậy nó thực sự là một vật thể rất phức tạp."
Từ sự dư thừa bất ngờ của các baryon....
Trong quá trình thí nghiệm, có một quan sát đặc biệt thu hút sự chú ý của nhóm STAR. Máy dò liên tục ghi nhận số lượng baryon phát ra từ các vụ va chạm theo hướng vuông góc với hướng của các chùm tia tới nhiều hơn so với số lượng phản baryon. "Trong máy dò STAR, chúng tôi liên tục quan sát thấy lượng baryon dư thừa thoát ra từ các vụ va chạm vuông góc với hướng va chạm của các chùm tia," Tsang nói. "Việc chúng ta thu được nhiều baryon hơn phản baryon - hay nhiều vật chất hơn phản vật chất - không có gì đáng ngạc nhiên vì các vụ va chạm của chúng ta bắt đầu bằng vật chất," ông nói thêm. Những va chạm cực mạnh này chuyển hóa một lượng năng lượng khổng lồ thành hàng ngàn hạt mới được tạo ra. Điều khiến các nhà nghiên cứu băn khoăn không chỉ đơn giản là số lượng baryon được tạo ra nhiều hơn phản baryon, mà là sự xuất hiện của lượng baryon dư thừa đó.
Nếu chỉ có các quark hóa trị mang số lượng baryon, để giải thích sự dư thừa ở xa đường truyền tia, cần phải có cả ba quark hóa trị từ một proton va chạm dừng lại gần trung tâm của detector. Sau đó, chúng phải trải qua quá trình chuyển đổi từ vật chất thành năng lượng và ngược lại, tạo ra các baryon mới di chuyển ra ngoài theo hướng vuông góc với chùm tia.
Các nhà nghiên cứu của dự án STAR nghi ngờ có thể còn một lời giải thích khác.
... đến manh mối điện tích
Nhóm nghiên cứu đã tìm ra cách điều tra bí ẩn này bằng cách tận dụng một đặc tính khác của các quark hóa trị: điện tích. Các nhà khoa học đã so sánh số lượng baryon ròng đo được trong các vụ va chạm hạt nhân RHIC khác nhau với cách điện tích được phân bố lại trong cùng các sự kiện đó.
"Việc đo điện tích phát ra vuông góc với hướng va chạm cung cấp cho bạn một phương pháp chính xác để đo số lượng quark bị dừng lại và biến đổi thành các hạt mới," Zebo Tang, giáo sư tại Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc, người dẫn đầu nhóm sinh viên thực hiện phân tích dữ liệu và mô phỏng mô hình, cho biết.
Sự so sánh đã cho thấy một sự khác biệt đáng kể. Các nhà nghiên cứu quan sát thấy số lượng baryon được tạo ra nhiều gấp đôi so với số lượng lẽ ra phải có dựa trên điện tích liên quan đến các quark dừng lại.
Theo các mô hình dựa trên QCD, điều đó có nghĩa là số lượng quark bị dừng lại quá ít để giải thích cho tất cả các baryon xuất hiện trong máy dò.
Điều đó đặt ra một câu hỏi quan trọng: Cái gì đã mang số lượng baryon dư thừa đó?
Các nhà vật lý thuộc dự án STAR cho rằng các gluon có thể là câu trả lời, cụ thể là liên kết gluon hình chữ Y nối các quark hóa trị của proton.
Cơ chế liên kết gluon có thể truyền tải số lượng baryon như thế nào
Cơ chế được đề xuất phụ thuộc vào những gì xảy ra khi các proton bên trong các hạt nhân va chạm đạt đến năng lượng khổng lồ. Theo nhóm STAR, "liên kết gluon" hay "liên kết baryon" nối các quark có thể dễ bị dừng lại hơn trong một vụ va chạm so với chính ba quark đó.
Nếu quá trình liên kết dừng lại, năng lượng của nó có thể được chuyển hóa thành các baryon mới được tạo ra và di chuyển ra ngoài theo hướng vuông góc với các chùm tia. Trong khi đó, các quark hóa trị trước đây được liên kết bởi điểm nối có thể tiếp tục di chuyển về phía trước dọc theo ống dẫn chùm tia.
Để hiểu được lý do tại sao cần phải xem xét sự thay đổi cấu trúc bên trong của proton khi năng lượng của nó tăng lên. "Liên kết baryon luôn tồn tại ngay cả khi các proton được gia tốc đến năng lượng ngày càng cao," Prithwish Tribedy, một nhà vật lý STAR tại Phòng thí nghiệm Brookhaven cho biết. "Nhưng ở năng lượng cao, các gluon bên trong proton sẽ tách ra và nhân lên." Khi số lượng gluon tăng lên, động lượng của proton được phân bổ cho nhiều gluon hơn. Do đó, mỗi gluon riêng lẻ, bao gồm cả những gluon tạo thành liên kết, mang một phần nhỏ hơn trong tổng động lượng của proton. Tuy nhiên, các quark hóa trị vẫn tiếp tục mang phần lớn chuyển động tiến về phía trước của proton. Do đó, khi va chạm xảy ra, liên kết ba nhánh gluon chuyển động tương đối chậm hơn sẽ dễ bị dừng lại và chuyển hóa thành các hạt mới hơn so với các quark chuyển động nhanh.
Theo Tribedy, việc ngăn chặn một cấu trúc liên kết đơn giản hơn so với việc ngăn chặn ba quark riêng biệt, khiến cho tương tác như vậy có nhiều khả năng xảy ra hơn.
"Trong vụ va chạm, điểm nối baryon bị giữ lại, còn các quark tiếp tục di chuyển," ông lưu ý.
Tạo ra các hạt mới sau va chạm
Các quark và gluon không thể tồn tại riêng lẻ, vì vậy sau va chạm, chúng nhanh chóng kết hợp với các hạt khác.
Trong một ví dụ đơn giản, một quark tiếp tục di chuyển dọc theo ống dẫn chùm tia có thể kết hợp với một phản quark và tạo thành một hạt hai quark gọi là meson. Đồng thời, điểm nối gluon ba nhánh có thể hoạt động giống như một nam châm hình chữ Y, hút ba quark mới được tạo ra từ chân không và tạo ra một baryon mới.
Các vụ va chạm RHIC thực tế dữ dội và phức tạp hơn nhiều.
"Mặc dù ban đầu chúng ta có các hạt nhân chứa khoảng 100 proton và 100 neutron, nhưng những va chạm này tạo ra hàng ngàn hạt mới; 99% năng lượng được chuyển hóa thành các hạt mới", Rongrong Ma, một nhà vật lý tại Phòng thí nghiệm Brookhaven, cho biết. Nhóm nghiên cứu STAR phát hiện ra rằng các vụ va chạm tạo ra số lượng hạt lớn hơn cũng cho thấy sự dư thừa lớn hơn của các baryon "ở vùng giữa vận tốc" so với các dự đoán dựa trên mô hình đơn giản hơn, trong đó chỉ có các quark mang số lượng baryon. Theo các nhà nghiên cứu, việc rất nhiều baryon này xuất hiện vuông góc với đường truyền tia là bằng chứng mạnh mẽ cho thấy cấu trúc khớp nối baryon tồn tại và đóng vai trò quan trọng trong việc vận chuyển số baryon.
Hình mô tả hai giả định số baryon được mang bởi các quark hóa trị (trên) hay được mang bởi khớp nối baryon (dưới) sẽ hành xử thế nào trong quá trình va chạm. Kết quả thực nghiệm ủng hộ giả định số baryon được mang bởi khớp nối hình chữ Y, trong đó khớp nối chữ Y dễ dừng lại hơn so với chính ba quark hóa trị, trong quá trình va chạm khớp nối này sau khi tách khỏi ba quark hóa trị ban đầu đã tái hợp với ba quark mới sinh ra trong vụ chạm để tạo thành một hạt baryon mới thoát ra tới máy dò, còn các quark ban đầu (mang điện tích) di chuyển xa hơn và tái hợp với các phản quark để tạo thành các hạt meson.
Suy nghĩ lại về một thuộc tính cơ bản của vật chất
Kết quả cho thấy một trong những đặc tính lượng tử xác định của proton có thể không chỉ nằm ở ba quark hóa trị của nó. Thay vào đó, cấu trúc gluon liên kết các quark đó có thể là yếu tố trung tâm quyết định số lượng baryon được truyền qua các va chạm năng lượng cao.
"Nghiên cứu của chúng tôi thách thức quan niệm lâu đời cho rằng số lượng baryon chỉ đơn giản được phân chia và mang bởi ba loại quark," Ma cho biết. "Sự hiểu biết mới này định hình lại cách chúng ta suy nghĩ về cấu trúc vật chất và làm sâu sắc thêm kiến thức của chúng ta về yếu tố cơ bản nhất chịu trách nhiệm cho hình dạng hiện tại của vũ trụ."
Physicists discover a hidden gluon structure inside protons that could rewrite textbooks
Physicists may have uncovered a hidden feature inside protons that helps preserve one of matter’s most fundamental properties. RHIC collision data suggest baryon number is carried not simply by three quarks, but by a Y-shaped junction of the gluons connecting them. The finding challenges a...
www.sciencedaily.com
After 50 Years, Physicists Find Strong Evidence For What Really Holds Matter Together
The Universe is like water flowing downhill, and that's not a New-Age-style spiritual mantra.
www.sciencealert.com
hóng bàn luận nhiều hơn
