Phiên bản mới nhất của biểu đồ pha QCD. Ranh giới giữa pha nhiệt độ thấp (hadron tính) và pha plasma quark-gluon nhiệt độ cao được đánh dấu màu đen. Hộp vuông trên đường liền nét chỉ ra điểm tới hạn chưa-tìm-ra, nơi các pha có thể đồng thời tồn tại. Neutron, proton và những hạt vật chất bình thường (kể cả các hạt phản vật chất) được phát hiện sau khi chúng “ra khỏi” những quả cầu lửa gây ra bởi những va chạm ion nặng như tại RHIC, thể hiện bằng đường đứt nét. Phía bên phải là vùng “siêu dẫn màu” có thể có.
Các nhà vật lí ở Mĩ, Ấn Độ và Trung Quốc đã tính được rằng quark và gluon có thể vỡ tự do khỏi nơi giam cầm của chúng bên trong proton và neutron ở nhiệt độ chừng hai nghìn tỉ Kelvin – bằng nhiệt độ của vũ trụ lúc một phần nhỏ của một giây sau Big Bang. Các nhà nghiên cứu đi đến con số này bằng cách kết hợp kết quả của những tính toán trên siêu máy tính và các thí nghiệm va chạm ion nặng. Họ cho biết kết quả trên đặt kiến thức của chúng ta về vật chất quark trên một nền tảng chắc chắn hơn.
Theo mô hình Big Bang, vũ trụ thời rất sơ khai chứa đầy “plasma quark-gluon”, trong đó các quark và gluon (hạt mang lực hạt nhân mạnh) tồn tại như những thực thể độc lập. Lực mạnh giữa các quark tăng nhanh theo khoảng cách, nghĩa là các quark cần những lượng năng lượng lớn để duy trì tự do – và do đó khối plasma chỉ có thể tồn tại ở những nhiệt độ cực cao. Khi vũ trụ chỉ khoảng một phần triệu của một giây tuổi, nó đã nguội đến mức các quark và gluon kết hợp thành những hạt hỗn hợp như proton và neutron. Tuy nhiên, nhiệt độ chính xác này là bao nhiêu thì không dễ gì tính được.
Lí thuyết sắc động lực học lượng tử (QCD) giải thích tương tác của các quark và gluon cực tốt ở những khoảng cách rất nhỏ, thích hợp với những va chạm xảy ra bên trong Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC) tại Geneva ở CERN. Nhưng ở những khoảng cách lớn hơn đặc trưng của plasma quark-gluon, QCD thất bại vì nó không thể giải thích mọi tương tác thành phần, bao gồm nhiều cặp hạt ảo quark và phản quark. Cho nên, các nhà vật lí sử dụng một sự gần đúng của lí thuyết trên gọi là QCD mạng, trong đó sự phức tạp của những tương tác quark-gluon được hạn chế bởi sự phân chia không-thời gian thành những phân đoạn có thể kiểm soát được.
Nay Nu Xu thuộc trường Đại học Công lập Trung Trung Hoa và Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley ở California và các đồng nghiệp đã thu được giá trị của một trong những thông số chủ chốt của QCD mạng. Họ sử dụng các kết quả thu từ máy dò STAR tại Máy Va chạm Ion nặng Tương đối tính (RHIC) của Phòng thí nghiệm Brookhaven, thiết bị cho những ion vàng va chạm vào nhau ở năng lượng cao để tìm nhiệt độ tại đó plasma quark-gluon “ngưng tụ” thành từng hadron đơn lẻ.
Thành viên đội nghiên cứu Bedangadas Mohanty thuộc Trung tâm Cyclotron Năng lượng Biến thiên ở Kolkata, Ấn Độ, giải thích rằng việc biết được nhiệt độ này giúp lập rõ biểu đồ pha của QCD. Biểu đồ này thể hiện sự chuyển tiếp từ vật chất bình thường, hadron tính, sang vật chất quark (hoặc có lẽ là trạng thái kì lạ khác gọi là “siêu dẫn màu”) khi hai biến thay đổi. Hai biến này là nhiệt độ và “hóa thế baryon tính”. Hóa thế baryon tính là năng lượng cần thiết để loại bỏ hoặc bổ sung thêm một proton hoặc neutron vào vật chất đang tương tác mạnh. Ông cho biết cơ chế nhiệt động lực học này có thể dùng để tính ra nhiệt độ của các chuyển tiếp pha của nước biến thiên như thế nào theo áp suất nhưng giá trị tuyệt đối cho những nhiệt độ này đòi hỏi số đo của ít nhất là một điểm cố định trong biểu đồ pha, thí dụ như điểm sôi ở áp suất khí quyển. “Tương tự như vậy”, ông nói, “trong QCD chúng tôi muốn tìm hiểu rõ nhiệt độ chuyển tiếp pha đó là bao nhiêu ở hóa thế zero”.
Xu và các cộng sự không đo nhiệt độ này một cách trực tiếp mà suy luận ra nó từ lí thuyết và thí nghiệm. Trên phương diện lí thuyết, Sourendu Gupta và những người khác tại Viện nghiên cứu Cơ bản Tata ở Ấn Độ đã tính được đạo hàm bậc một, hai, ba và bốn của hóa thế baryon tính theo áp suất, và sau đó tính được những đại lượng “nhạy cảm” này sẽ biến thiên như thế nào theo nhiệt độ. Trong khi đó, nửa nhóm hợp tác thực nghiệm đi đếm có bao nhiêu proton hơn phản proton được tạo trong hàng triệu va chạm của những ion vàng tại RHIC và vẽ đồ thị sự biến thiên đó theo số lượng đã đo được này. Tại nhiệt độ chuyển tiếp plasma quark-gluon, những kết hợp nhất định của những đại lượng nhạy cảm trên lí thuyết sẽ bằng về trị số với những số lượng nhất định liên hệ với hình dạng của những phân bố được đo. Cho nên, bằng cách cho biến thiên những đại lượng nhạy cảm theo nhiệt độ cho đến khi chúng bằng với số lượng suy luận ra từ thí nghiệm, các nhà nghiên cứu đã đi tới một giá trị cho nhiệt độ chuyển tiếp đó.
Giá trị mà đội của Xu thu được là 175 +1/–7 MeV, tương đương với 2 × 1012 Kelvin, đó chính là giá trị mà những phương pháp gián tiếp khác tiên đoán trong lí thuyết QCD mạng. “Đây là lần đầu tiên có một sự so sánh trực tiếp giữa lí thuyết vật chất quark nhiệt độ cao và các thí nghiệm năng lượng cao”, Mohanty nói. “Người ta đã dự đoán những đại lượng nhạy cảm trên lí thuyết đó phải bằng bao nhiêu, nhưng bạn cần so sánh những dự đoán này với thí nghiệm để đảm bảo rằng lí thuyết là đúng”.
Theo Mohanty, bước tiếp theo là đo một điểm tới hạn đã tiên đoán trong biểu đồ pha QCD. Tại một điểm tới hạn, ranh giới giữa hai pha không còn và tính chất của hai pha trở nên giống hệt nhau. Chẳng hạn, có một điểm tới hạn cho nước lỏng và hơi nước, và các nhà vật lí hạt nhân tin rằng, tương tự như vậy, có một điểm tới hạn cho vật chất bình thường và vật chất quark. Việc tìm ra điểm tới hạn này sẽ đòi hỏi thực hiện những va chạm ion nặng trong những ngưỡng năng lượng va chạm mà RHIC thích hợp nhất để tiến hành, theo lời Mohanty. Mặt khác, máy dò hạt ALICE của LHC sẽ có thể khống chế độ nhớt của plasma quark-gluon, với những phép đo trước đây cho thấy plasma đó có độ nhớt thấp hơn bất kì chất lỏng nào khác có trong vũ trụ.
David Evans, một nhà vật lí tại trường Đại học Birmingham và là trưởng nhóm người Anh tại ALICE, có ấn tượng sâu sắc với nghiên cứu mới trên. “Tôi nghĩ những kĩ thuật này sẽ cho phép các nhà lí thuyết khai thông và cải tiến QCD mạng bằng những so sánh trực tiếp với thí nghiệm”, ông nói, “và từ đó mang lại những tính toán và dự đoán tốt hơn trong tương lai”.
Tuy nhiên, Johann Rafelski thuộc trường Đại học Arizona thì tin rằng nghiên cứu trên có những “thiếu sót nghiêm trọng”, đặc biệt là thiếu sự phân tích sai số hệ thống. Thí dụ, ông nói, Xu và các cộng sự đã không tính đến thực tế là máy dò hạt chỉ đếm một phần hạn chế của mọi sản phẩm va chạm. “Sai số hệ thống toàn phần rất có khả năng là lớn, lớn hơn nhiều so với sai số thống kê [như đã trình bày]”, ông nói, “các đồng nghiệp trong cộng đồng QCD mạng tin rằng phân tích này “mỗi bước đều có sai sót”.
Nghiên cứu công bố trên tạp chí Science 332 1525.
Nguồn: physicsworld.com
