Chỗ nhô lên bất ngờ lại xuất hiện trong dữ liệu CMS

Dữ liệu đầu tiên từ những va chạm proton-chì tại thí nghiệm CMS (Compact Muon Solenoid) tại CERN có một cấu trúc “nhô lên” trong các tương quan giữa những hạt mới được tạo ra. Theo các nhà lí thuyết ở Mĩ, chỗ nhô lên đó có thể biểu hiện một dạng mới của vật chất gọi là “ngưng tụ thủy tinh màu”.

Đây không phải là lần đầu tiên những tương quan như thế được trông thấy ở những tàn dư va chạm hạt – hồi năm 2005, các nhà vật lí làm việc với Máy Va chạm Ion Nặng Tương đối tính (RHIC) tại Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven ở New York đã tìm thấy những hạt được tạo ra trong sự va chạm của những hạt nhân vàng có xu hướng phân tán ngang ra khỏi chùm hạt với góc tương đối rất nhỏ, gần như bằng không. Một tương quan giống như vậy đã được trông thấy hồi năm 2010 tại CMS trong các va chạm proton-proton và sau đó một năm trong các va chạm chì-chì.

Một sự kiện va chạm proton-chì ở mức 5,02 TeV, ghi nhận bởi CMS vào ngày 13 tháng 9 năm 2012. (Ảnh: CERN/CMS)

Những chỗ nhô lên

Khi vẽ đồ thị số lượng hạt theo góc phát xạ ngang tương đối và góc tương đối hợp với trục chùm hạt, mối tương quan xuất hiện dưới dạng một chỗ nhô lên thấy rõ. Nay chỗ nhô lên này lại được nhìn thấy trong các va chạm proton-chì lần đầu tiên – trong vòng một tuần thu thập dữ liệu tại CMS (arXiv:1210.5482).

Ba đồ thị biểu diễn sự tương quan giữa các cặp hạt nhìn thấy trong máy dò hạt CMS. (a) va chạm proton-proton; (b) va chạm chì-chì; (c) va chạm proton-chì. Δη là góc đo giữa hai hạt trong mặt phẳng dọc. ΔΦ là góc lệch giữa hai hạt trong mặt phẳng ngang. R là hàm của Δη và ΔΦ. (Ảnh: CERN/CMS)

Mặc dù những quan sát chỗ nhô lên trong những thí nghiệm khác đề xuất chỉ một nguyên nhân, nhưng các nhà lí thuyết tin rằng có lẽ có nhiều hơn một lời giải thích. Khi những cặp hạt nhân (ví dụ như vàng hoặc chì) va chạm nhau, chúng tạo ra một môi trường nóng, đặc tương tự như plasma quark-gluon, một loại vật chất được cho là đã tồn tại rất sớm sau thời khắc Big Bang. Chuyển động của plasma này có lẽ làm tương quan các hạt vào cấu trúc nhô lên đó.

Mặc khác, người ta không trông đợi các va chạm proton-proton tạo ra một plasma quark-gluon, cho nên các nhà lí thuyết đã đi tới những hướng giải thích khác. Một quan điểm, theo Raju Venugopalan tại Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven ở Mĩ và Kevin Dusling tại trường Đại học Bắc Carolina ở Raleigh, Mĩ, là tương quan nhô lên đó là một loại vướng víu lượng tử bất thường trong đó những hạt sinh ra mang thông tin về trạng thái của các proton trước khi những proton đó va chạm nhau.

Bầy hạt hộ tống

Ở những năng lượng rất cao, các proton có thể thăng giáng vào những trạng thái lượng tử không chỉ kết hợp ba quark – những thành phần bình thường của chúng – mà còn có cả một bầy đoàn gluon đi kèm – gluon là những hạt mang lực mạnh. Venugopalan và Dusling cho rằng bầy đoàn này ở các va chạm proton-proton tại CMS có thể dày đặc tới mức đạt tới “sự chiếm giữ tối đa” – hay nói cách khác là bão hòa, và từ đó chuyển thành một ngưng tụ thủy tinh màu – một dạng vật chất trên giả thuyết và còn gây tranh cãi có thể giải thích những vấn đề nhất định trong ngành vật lí năng lượng cao, ví dụ như vấn đề các hạt được sinh ra như thế nào trong các va chạm.

Cách lí giải ngưng tụ thủy tinh màu của chỗ nhô proton-proton 2010 của CMS không được chấp nhận rộng rãi. Tuy nhiên, không bao lâu trước khi những kết quả CMS mới nhất được công bố, Venugopalan và Dusling đã dự đoán rằng, nếu nó tồn tại trong các va chạm proton-proton, thì ngưng tụ đó cũng sẽ phải tồn tại trong các va chạm proton-chì. Nói cách khác, các nhà lí thuyết dự đoán rằng chỗ nhô lên trong các va chạm proton-chì sẽ giống với trong các va chạm proton-proton hơn là với các va chạm chì-chì, đó là một hệ quả của plasma quark-gluon (arXiv:1210.3890).

Đúng như dự đoán

Venugopalan và Dusling cho biết dữ liệu CMS mới phù hợp với tiên đoán của họ, và họ đang chuẩn bị một bài báo tiếp theo mô tả những kết luận của họ. “Một phân tích chi tiết hơn sẽ làm sáng tỏ thêm cho lí thuyết của chúng tôi, và vì thế [làm sáng tỏ thêm] cho hành trạng tập thể hấp dẫn của các trạng thái gluon cấu tạo nên cấu trúc của vật chất ở những năng lượng cao,” Venugopalan nói.

Tuy nhiên, những nhà lí thuyết khác có khả năng có những cách lí giải riêng của họ. Các chuyên gia thực nghiệm CMS Wei Li và Gunther Roland thì cho rằng cấu trúc nhô lên đó là một hiện tượng chưa được giải thích, và họ chờ đợi một đợt chạy proton-chì lâu hơn tại LHC trong năm tới để tăng mẫu dữ liệu lên gấp một nghìn lần. “Kết hợp với độ lớn bất ngờ của chỗ nhô lên mà CMS nhìn thấy, dữ liệu này sẽ cho phép những nghiên cứu tương quan chi tiết và mở ra một nền tảng kiểm nghiệm mới cho những câu hỏi cơ bản trong lĩnh vực vật lí những hệ tương tác mạnh và bản chất của trạng thái ban đầu của các va chạm hạt nhân,” họ viết như thế trên một website công chúng.

Tham khảo: http://arxiv.org/abs/1210.5482

123physics (thuvienvatly.com)
Nguồn: physicsworld.com