Các va chạm ion đồng tạo ra nhiều quark lạ hơn

Cho va chạm những cặp ion đồng tạo ra lượng quark lạ trên nucleon nhiều hơn đáng kể so với những cặp nguyên tử vàng lớn hơn nhiều. Đó là khám phá bất ngờ của các nhà vật lí làm việc với Máy Va chạm Ion Nặng Tương đối tính (RHIC) tại Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven ở Mĩ. Kết quả trên mang lại thêm sự hậu thuẫn cho mô hình lõi-nhật hoa của những va chạm năng lượng cao như thế và có thể làm sáng tỏ thêm về plasma quark-gluon – một trạng thái của vật chất đã có mặt trong vũ trụ thời kì rất sơ khai.

Các quark thường được liên kết bằng những gluon trong các hạt như proton và cần có một va chạm năng lượng cao để mang lại một cái nhìn thoáng chốc của các quark tự do. Nếu cho những hạt nhân lớn như vàng hoặc chì va chạm với nhau ở những năng lượng đủ cao, thì kết quả như trông đợi là một món súp gồm các hạt quark tự do và gluon, gọi là plasma quark-gluon. Ngoài việc củng cố kiến thức của chúng ta về lực hạt nhân mạnh liên kết các quark lại với nhau, một plasma quark-gluon còn được cho là sẽ mang lại một bức tranh vi mô của vũ trụ thời kì rất sơ khai.

Khi những hạt nhân nặng va chạm tại RHIC, chúng tạo ra một quả cầu lửa tiêu hao phần lớn năng lượng của nó bằng cách tạo ra những hạt mới. Một số hạt trong số này chứa quark lạ - loại quark nhẹ nhất – và một số lượng tương đối lớn quark lạ sinh ra trong một va chạm có thể ngụ ý sự có mặt của một plasma quark-gluon. Đây là vì một hạt quark không bị giam cầm trong một plasma hành xử như thể nó nhẹ hơn một quark bị giam cầm trong một nucleon, và sự giảm khối lượng hiệu dụng này có nghĩa là việc tạo ra các quark lạ không tiêu hao nhiều năng lượng như thế. Vì lí do này, những người đang săn tìm plasma quark-gluon tập trung chú ý vào số lượng quark lạ sinh ra trong các va chạm hạt – con số đó sẽ lớn hơn trông đợi nếu như plasma được tạo ra.

Dữ liệu từ máy dò STAR cho thấy các hạt được sinh ra khi hai hạt nhân lao vào nhau. Ảnh: Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven.

Chút lạ lẫm với hạt nhân đồng

Khi cố gắng tạo ra một plasma quark-gluon, thông thường người ta nghĩ hạt nhân nào càng lớn thì càng tốt. Vì thế, RHIC thường cho va chạm các ion vàng và Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC) cho va chạm hạt nhân chì. Nhưng nay, các nhà vật lí thuộc chương trình hợp tác STAR tại RHIC vừa tìm thấy những va chạm đồng-đồng tạo ra số quark lạ trên nucleon cao hơn từ 20% đến 30% so với các va chạm vàng-vàng. Kết quả nghiên cứu trên khoảng 40 triệu va chạm đồng-đồng và 20 triệu va chạm vàng-vàng, toàn bộ đều được thực hiện ở năng lượng 100 GeV/nucleon.

Các ion đồng chứa tổng cộng 63 nucleon – 29 proton và 34 neutron. Nếu các va chạm của chúng tạo ra nhiều quark lạ hơn 63 va chạm proton-proton ở cùng năng lượng, thì đây là cái gọi là “sự tăng tính lạ”, cái có thể là bằng chứng cho thấy va chạm đó tạo ra một plasma quark-gluon.

Tuy nhiên, có một lời giải thích khác lí giải vì sao cho va chạm ion đồng tạo ra nhiều quark hơn so với cho va chạm proton. Có khả năng sự sinh ra của những hadron lạ (những hạt chứa quark lạ) bị áp đảo trong các va chạm proton-proton do yêu cầu tính lạ phải được bảo toàn. Các quy tắc bảo toàn đòi hỏi rằng đối với mỗi quark lạ, phản hạt của nó (phản quark lạ) phải được sinh ra. Trong các va chạm sử dụng những hạt nhân nhẹ hơn, trong đó có ít hạt sinh ra hơn, ràng buộc sản sinh thêm phản quark đồng nghĩ là các hạt chứa hai hoặc nhiều quark lạ là khó tạo ra hơn. Hạn chế này làm giảm số lượng quark lạ sinh ra tính trung bình trong các va chạm proton-proton.

Va chạm hình quả hạnh

Đội nghiên cứu đã so sánh các va chạm vàng và đồng với cùng số nucleon “tham gia”. Do vàng có 197 nucleon, nhiều hơn nhiều so với đồng, nên hạt nhân vàng phải sớt qua nhau thay vì lao trực diện vào để có một va chạm gồm 126 nucleon hoặc ít hơn – con số nucleon tham gia khi hai hạt nhân đồng va vào nhau. Như vậy kết quả là một tập hợp hình quả hạnh của các proton và neutron, thay vì những va chạm đồng trực diện có dạng tròn hơn.

“Bức tranh kinh điển trên cho thấy sự tăng tính lạ phải phải phụ thuộc vào số lượng [nucleon] tham gia,” phát biểu của Anthony Timmins, một cộng tác viên STAR tại trường Đại học Houston. Nhưng nếu điều đó là đúng, thì các va chạm đồng sẽ không mang lại số quark lạ nhiều hơn so với các va chạm vàng.

Để thay thế, nhóm hợp tác đề xuất rằng mô hình lõi-nhật hoa mô tả dữ liệu trên tốt nhất. Trong bức tranh này, các nucleon va chạm tạo ra một cái lõi plasma quark-gluon bao xung quanh bởi những va chạm nucleon-nucleon bình thường. Một va chạm đồng tương đối hẹp thu năng lượng của nó trong một không gian nhỏ hơn, nghĩa là có nhiều nucleon hơn tham gia vào plasma quark-gluon và tạo ra các quark lạ. Trong khi đó, có nhiều nucleon hơn trong va chạm vàng sớt qua hình quả hạnh bị mất mát do các va chạm trong nhật hoa, vì thế tạo ra ít quark lạ hơn.

Số lượng những hạt khác cũng tăng

Aneta Iordanova, một cựu cộng tác viên STAR nay làm việc tại trường Đại học California, Riverside, đặc biệt quan tâm đến thực tế là những hạt khác – không có quark lạ - cũng tăng lên trong các va chạm đồng trực diện so với các va chạm vàng. “Nếu các hạt sinh ra trong vùng lõi lấn át tổng thể sản phẩm hạt sinh ra, thì sự tăng sản lượng của tất cả các hạt, dù có quark lạ hay không, là cái được trông đợi,” bà nói.

Federico Antinori, điều phối viên vật lí cho thí nghiệm ALICE tại Máy Va chạm Hadron Lớn của CERN ở Geneva, Thụy Sĩ, gọi đây là một “điểm nhấn” cho mô hình lõi-nhật hoa. “Nó không phải là bằng chứng cuối cùng, mà cái thú vị nên lưu ý là mô hình này thật sự giải thích tốt dữ liệu trên,” ông nói. Các cộng tác viên ALICE đã trình bày kết quả sơ bộ của họ về những hạt chứa nhiều quark lạ xuất hiện trong các va chạm chì-chì hồi năm ngoái, và mặc dù các so sánh định lượng với mô hình lõi-nhật hoa cho đến nay chưa được thực hiện, nhưng ông lưu ý rằng kết quả về mặt định tính là tương tự.

Hoài Ân – thuvienvatly.com
Theo physicsworld.com

Bài trước | Bài kế tiếp