Những va chạm ion nặng tại CERN sẽ có thể tạo ra những xung ánh sáng ngắn nhất từ trước đến nay. Điều này được chứng minh bởi các mô phỏng máy tính tại trường Đại học Công nghệ Vienna. Những xung sáng đó ngắn đến mức không thể nào đo chúng bằng trang thiết bị ngày nay. Một phương pháp mới vừa được đề xuất để tạo ra đồng hồ bấm giờ chính xác nhất thế giới cho những xung ánh sáng ngắn nhất thế giới, sử dụng một máy dò sắp được lắp đặt tại CERN vào năm 2018.
Hai nguyên tử chì va chạm, tạo ra một plasma quark-gluon, làm phát ra những xung ánh sáng cực ngắn.
Những hiện tượng xảy ra trong những khoảng thời gian rất ngắn thường được nghiên cứu bằng cách sử dụng những xung laser cực ngắn. Ngày nay, người ta đã có thể tạo ra những xung vào cỡ atto giây (10-18 s, một phần tỉ tỉ của một giây). Nhưng những kỉ lục có thể sớm bị phá: “Những hạt nhân nguyên tử trong các máy va chạm hạt như LHC tại CERN hoặc RHIC có thể tạo ra những xung sáng còn ngắn hơn thế cả triệu lần,” phát biểu của Andreas Ipp thuộc trường ĐH Công nghệ Vienna.
Trong thí nghiệm ALICE tại CERN, các hạt nhân chì va chạm nhau ở tốc độ gần như bằng tốc độ ánh sáng. Mảnh vỡ của những hạt nhân tán xạ cùng với những hạt mới sinh ra bởi sức mạnh va chạm đó tạo ra một plasma quark-gluon, một trạng thái của vật chất nóng đến mức proton và neutron cũng tan chảy. Những viên gạch cấu trúc của chúng – quark và gluon – có thể chuyển động độc lập mà không gắn kết với nhau nữa. Plasma quark-gluon này chỉ tồn tại trong vài yocto giây (10-24 s).
Từ plasma quark-gluon sinh ra trong một máy va chạm hạt, những xung ánh sáng có thể được phát ra, mang thông tin có giá trị về plasma đó. Tuy nhiên, các kĩ thuật đo truyền thống thường quá chậm để phân giải những lóe sáng vào cỡ yocto giây. “Đó là nguyên do chúng tôi đưa vào sử dụng hiệu ứng Hanbury Brown-Twiss, một khái niệm vốn được phát triển cho các phép đo thiên văn,” Andreas Ipp nói.
Trong một thí nghiệm Hanbury Brown-Twiss, các tương quan giữa hai máy dò ánh sáng khác nhau đã được nghiên cứu. Theo cách đó, người ta có tính rất chính xác đường kính của một ngôi sao. “Thay vì nghiên cứu những khoảng cách không gian, hiệu ứng cũng có thể sử dụng tốt để đo những khoảng thời gian,” Andreas Ipp nói. Các tính toán do ông thực hiện cùng với Peter Somkuti cho thấy những xung yocto giây của plasma quark-gluon có thể được phân giải bởi một thí nghiệm Hanbury Brown-Twiss. “Sẽ khó làm, nhưng chắc chắn sẽ làm được,” Ipp nói. Thí nghiệm này sẽ không đòi hỏi có thêm bất kì máy dò đắt tiền nào, nó có thể được thực hiện với “nhiệt lượng kế tiên tiến”, thiết bị sẽ đi vào hoạt động tại CERN vào năm 2018. Như vậy, thí nghiệm ALICE có thể trở thành đồng hồ bấm giờ chính xác nhất thế giới.
Tuy nhiên, vẫn còn nhiều câu hỏi mở trong lĩnh vực vật lí học plasma quark-gluon. Nó có một độ nhớt cực kì thấp, nó loãng hơn bất kì chất lỏng nào mà chúng ta biết. Cho dù nó sinh ra ở một trạng thái mất cân bằng cực độ, nhưng nó đi tới sự cân bằng nhiệt cực kì nhanh. Nghiên cứu những xung sáng phát ra từ plasm quark-gluon có thể mang lại những thông tin mới có giá trị để hiểu rõ hơn về trạng thái này của vật chất.
Trong tương lai, những xung sáng như thế có lẽ còn hữu ích cho nghiên cứu hạt nhân. “Các thí nghiệm sử dụng hai xung ánh sáng thường vận dụng vật lí lượng tử,” Andreas Ipp nói. “Xung thứ nhất làm thay đổi trạng thái của vật đang nghiên cứu, một xung thứ hai, sử dụng ngay sau đó, để đo sự thay đổi đó.” Với những xung sáng yocto giây, phương pháp này có thể được sử dụng trong những lĩnh vực cho đến nay hoàn toàn không thể tiếp cận với loại nghiên cứu này.
Tham khảo: prl.aps.org/abstract/PRL/v109/i19/e192301
123physics (thuvienvatly.com)
Nguồn: ĐH Công nghệ Vienna
