Mọi nguyên tử trong cơ thể của chúng ta có cấu tạo từ electron, proton và neutron, và proton và neutron còn có thể chia nhỏ thành các quark. Như vậy, về cơ bản chúng ta được cấu tạo từ chỉ hai loại hạt: electron và quark. Nhưng những tên gọi này có ý nghĩa gì? Tại sao chúng ta nói các electron và quark khác với nhau?
Vì chúng không có tên gọi giống nhau, nên chúng ta phải định nghĩa hạt qua cách chúng tương tác. Vấn đề có chút tương tự như việc lập danh mục các loài hoang dã trên một lục địa mới – thoạt đầu, mọi thứ thật lạ lẫm, nhưng cuối cùng chúng ta thấy các loài có thể được phân nhóm theo những kiểu hình nhất định nào đó như thế nào. Một số con kêu quác quác và đi lạch bạch nên ta gọi chúng là vịt, trong khi một số con khác thì toàn lông và xây đập nên ta gọi chúng là hải li. Khi các nhà vật lí lần đầu tiên khảo sát thế giới hạ nguyên tử, họ để ý thấy có hai loại tương tác hạt nhân cơ bản, một tương tác mạnh hơn tương tác kia nhiều lần. Cho đến ngày nay, chúng được gọi là lực yếu và lực mạnh vì chúng chưa từng có tên gọi nào tốt hơn nữa.
Các lepton và quark khớp một cách tự nhiên thành ba thế hệ bộ đôi dựa trên cách chúng tương tác với lực yếu. Các nhà vật lí không biết vì sao hai loại hạt này lại khớp kiểu với nhau đến như vậy.
Tương tự như vậy, các hạt vật chất được phân nhóm làm hai họ, lepton và hadron, theo xuất xứ từ nguyên Hi Lạp có nghĩa là nhỏ và lớn. Thật kì lạ, các lepton có vẻ hoàn toàn không bị ảnh hưởng bởi lực mạnh, còn các hadron thì bị lực mạnh thống trị đến cùng cực. Mặc dù các lepton – ví dụ như electron quen thuộc – có thể biến đổi thành lepton khác – muon, tau và neutrino – nhưng tổng số lepton trong vũ trụ dường như không đổi (đếm một lepton vật chất là +1 và một lepton phản vật chất là -1). Điều tương tự cũng đúng đối với các quark, viên gạch cấu trúc cơ bản của hadron. Có một nguyên nhân sâu sắc cho sự tương tự này, nhưng cho đến nay người ta vẫn chưa hiểu rõ.
Sự tương đồng giữa các lepton và quark còn bất ngờ hơn nữa khi chúng ta sắp xếp chúng theo cách chúng tương tác với lực yếu. Nhiều nhà vật lí cho sự tương đồng như thế giữa lepton và quark không phải là tình cờ, và chúng có thể liên hệ với nhau bằng cách nào đó. Nếu vậy thì có thể có một hạt mới thuộc cả hai loại hạt – một leptoquark. Một hạt như thế sẽ gây sốc tương tự như khi phát hiện ra thú có túi, một loài thú đẻ trứng giống như vịt nhưng lại đầy lông giống hải li.
Các nhà vật lí đã bắt đầu tìm kiếm leptoquark trong những năm qua, nhưng chưa tìm ra hạt nào cả. Nếu chúng thật sự tồn tại, thì chúng phải có khối lượng cao hơn những thí nghiệm trước đây có thể với tới. Leptoquark còn cho phép vật chất bình thường phân hủy tự phát, cái chưa từng được quan sát thấy. Nếu leptoquark có một khối lượng lớn, thì các thăng giáng ở vật chất bình thường sẽ hiếm khi đạt tới nó và các phân hủy sẽ rất hiếm nên khó để ý thấy. Cả hai xét đoán này đều hướng tới một thang năng lượng cao, cho nên nơi có thể tìm kiếm leptoquark là tại LHC, cỗ máy năng lượng cao nhất trên thế giới.
Các leptoquark được sinh ra theo cặp, và mỗi cặp sẽ phân hủy thành một lepton và một quark. Đây là một trong những sự kiện giống-leptoquark tìm thấy trong cơ sở dữ liệu CMS. Có quá ít sự kiện như thế này để bác bỏ những lời giải thích theo nền vật lí chuẩn.
Thí nghiệm CMS đã lùng sục toàn bộ kho dữ liệu thu thập trong năm 2011, tương ứng với khoảng 500 nghìn tỉ va chạm proton-proton. Họ đang tìm kiếm những sự kiện trong đó một leptoquark và một phản leptoquark được sinh ra bởi năng lượng va chạm, mỗi hạt phân hủy thành một lepton và một quark (hay tương đương phản vật chất của chúng). Một số lepton, như electron, để lại một vết tích rõ ràng qua máy dò hạt CMS, trong khi những lepton khác, như neutrino, lại vô hình trước máy dò và phải được suy luận ra từ sự mất cân bằng ở các mảnh vỡ. Một quark thì luôn luôn tạo ra một nhánh hạt.
Cuộc tìm kiếm đã nhận ra một số sự kiện với những đặc trưng này, nhưng chúng không được trông đợi từ những quá trình vật lí đã biết. Vì thế, những kết quả này đặt ra những ràng buộc chặt chẽ nhất cho đến nay đối với khối lượng của leptoquark. CMS hiện đang cật lực khảo sát dữ liệu trong năm 2012, trong đó năng lượng va chạm proton là cao hơn và do đó có thể tạo ra nhiều leptoquark nặng hơn, nếu như chúng có tồn tại.
123physics (thuvienvatly.com)
Nguồn: CERN
