Các thí nghiệm ở LHC mang lại cái nhìn mới mẻ về vũ trụ sơ khai

Mặt cắt của "máy nhồi hạt" ATLAS, thiết bị tạo ra món súp quark-gluon mới đây. (Ảnh:CERN)

Chưa đầy ba tuần sau khi cho chạy các ion nặng, ba thí nghiệm nghiên cứu va chạm giữa các ion chì ở LHC đã mang lại cái nhìn mới mẽ về vật chất ở thời điểm ngay sau khi vũ trụ được hình thành. Các thí nghiệm ALICE, hứa hẹn cho các nghiên cứu sử dụng ion nặng, đã mang lại hai bài báo khoa học chỉ trong vài ngày sau khi bắt đầu chạy các ion chì. Những quan sát trực tiếp đầu tiên hiện tượng "tôi tia" được thực hiện bởi hai phòng thí nghiệm liên kết ATLAS và CMS.  

Tôi tia: tên tiếng Anh là jet quenching, là hiện tượng các chùm ion nặng có năng lượng lớn, cở 5,5TeV như đang thực hiện ở LHC, được truyền qua một môi trường các hạt đặc, nóng. Chùm tia thu được có năng lượng giảm đi, do được "tôi" bởi môi trường. ND

Kết quả được nêu trong một bài báo với sự cho phép xuất bản của liên phòng thí nghiệm ATLAS và được đăng trên Tạp chí khoa học Physical Review Lette. Bài báo của CMS cũng gửi đăng sau đó, và kết quả của tất cả các thí nghiệm này sẽ được báo cáo tại hội thảo vào thứ Ba ngày 2 tháng 12 tại CERN. Các dữ liệu va chạm ion nặng sẽ tiếp tục được thu thập cho tới ngày 6 tháng 12.

"Thật phấn khích khi biết các thí nghiệm này mang lại kết quả nhanh như thế nào, nó gắn liền với một vật lý rất phức tạp," giám đốc nghiên cứu của CERN Sergio Bertolucci cho biết. "Các thí nghiệm phải cạnh tranh nhau đế được xuất bản trước, nhưng khi gộp chung chúng sẽ mang lại bức tranh hoàn chỉnh và vượt qua được những trở ngại do các kết quả riêng lẻ mang lại. Đó là một ví dụ đẹp cho việc cạnh tranh và hợp tác trở thành chìa khóa quan trọng trong lĩnh vực nghiên cứu này."

Một trong những mục đích ban đầu của chương trình chạy ion chì tại CERN là tạo ra vật chất tại thời điểm khởi thủy của vũ trụ. Ngược trở lại, các phản ứng hạt nhân diễn ra trong vũ trụ nhìn thấy như hiện nay có thể không tồn tại: vũ trụ quá nóng và hỗn loạn để các quark có thể liên kết với nhau nhờ gluon để tạo thành proton và neutron, những viên đá đặt nền móng cho các nguyên tố. Thay vào đó, các hạt cơ bản này sẽ "tự do rong chơi" trong món súp plasma quark-gluon. Vượt lên trên những khó khăn, việc tạo ra và nghiên cứu hỗn hợp plasma này sẽ mang lại cái nhìn sâu sắc vào sự tiến hóa của vũ trụ sơ khai, đặc tính tự nhiên của lực mạnh trong việc kết hợp quark và gluon thành proton, neutron và việc thống nhất các nguyên tố vào Bảng tuần hoàn.

Khi các ion chì va chạm ở LHC, chúng tập trung đủ năng lượng trong một miền nhỏ để tạo ra các giọt vật chất ở thời điểm sơ khai, mà dấu hiệu của sự hiện diện này là biên độ trải rộng của các tín hiệu đo được. Các bài báo ALICE tập trung vào sự tăng đột ngột của các hạt được tạo ra do va chạm so với các thí nghiệm trước đó, và xác nhận plasma nóng tạo ra ở LHC hành xử như một chất lỏng có độ nhớt rất thấp (chất lưu lý tưởng), phù hợp với các quan sát trước đó được thực hiện trong va chạm RHIC ở Brookhaven.

"Với các va chạm hạt nhân, LHC trở thành chiếc máy lý tưởng chế tạo 'Vụ nổ lớn'," người phát ngôn của ALICE Jürgen Schukraft cho biết. "Trong một số hoàn cảnh, hỗn hợp quark-gluon trông giống như chất lưu lý tưởng được quan sát thấy ở RHIC, nhưng chúng ta cũng lờ mờ nhìn thấy được điều gì đó mới mẻ."       

Các thí nghiệm ATLAS và CMS sử dụng các máy dò hạt cực mạnh, có khả năng đo đạc ở năng lượng lớn hiếm thấy.  Điều này cho phép chúng đo đạc được các chùm hạt bắn ra từ va chạm. Các chùm hạt được tạo ra gồm quark và gluon, là các thành phần cơ bản cấu tạo nên hạt nhân nguyên tử. Trong va chạm proton, các chùm hạt bắn ra theo cặp, theo hai hướng ngược nhau (bảo toàn động lượng). Tuy nhiên, trong va chạm các ion nặng, các chùm hạt tương tác hỗn loạn với môi trường đặc nóng xung quanh. Điều này dẫn đến một dấu hiệu rất khác, được biết đến dưới hiện tượng tôi tia, khi đó, năng lượng của chùm tia đã giảm đi đôi chút, trong khi cường độ tương tác với môi trường ngày một tăng. Tôi tia là công cụ hữu hiệu trong việc nghiên cứu các hành vi của plasma một cách chi tiết.

"ATLAS là thí nghiệm đầu tiên cho thấy các quan sát trực tiếp về hiện tượng tôi tia," người phát ngôn của ATLAS Fabiola Gianotti cho biết. "Khả năng tuyệt vời của ATLAS trong việc xác định năng lượng của các chùm tia giúp chúng ta quan sát thấy sự mất cân bằng về mặt năng lượng của mỗi cặp tia tạo thành, vì một trong số chúng hầu như bị hấp thụ  hoàn toàn bởi môi trường. Với kết quả lý thú này, Sự cộng tác được vinh danh cùng với sự hăng hái và nổ lực tuyệt vời của các nhà khoa học trẻ."

"Thật khó tưởng tượng khi nhìn thấy thời khắc bắt đầu của thời gian, mặc dù ở thang cực bé và các điều kiện tới hạn," phát ngôn viên của CMS Guido Tonelli cho biết. "Từ những ngày đầu tiên của va chạm ion chì, sự tôi các chùm tia đã xuất hiện trong dữ liệu của chúng tôi trong khi những đột phá khác, như việc quan sát những hạt Z, chưa được nhìn thấy trước đây trong các va chạm ion nặng, vẫn đang được nghiên cứu. Thách thức hiện nay là làm sao tập trung các nghiên cứu lại với nhau để mang lại hiểu biết tốt nhất có thể về các tính chất của đối tượng vật chất mới và không thường gặp này."

Các phép đo ở ATLAS và CMS dự báo một lĩnh vực mới, sử dụng các tia để thăm dò plasma quark-gluon. Kỉ thuật tôi tia và các phép đo khác trong ba thí nghiệm ở LHC sẽ mang lại sự hiểu biết sâu sắc về các tính chất plasma sơ khai và tương tác giữa quark và gluon.

Với những dữ kiện đang được tiếp tục cập nhật trong hơn một tuần tới, LHC đã hoàn thành mục tiêu của năm 2010, cộng đồng nghiên cứu các ion nặng tại LHC đang chờ đợi các phân tích từ dữ liệu họ thu được, đóng góp to lớn vào việc hoàn thiện mô hình quark-gluon, hệ quả của vũ trụ ở buổi ban đầu.

Theo physorg.com