Khoảng 98% khối lượng nhìn thấy được trong vũ trụ của chúng ta chủ yếu là do chất keo dính lực hạt nhân mạnh tạo ra.
Đối với đa số chúng ta, keo dán là một chất kết dính đơn giản dùng để làm dính các vật lại với nhau. Nhưng trong trái tim của vật chất, keo dán còn có một vai trò lớn hơn, tích cực hơn so với chất dịch trong veo làm mì ống dính vào giấy.
Nhìn gần vào tâm của nguyên tử, đầu tiên người ta bắt gặp một vùng đậm đặc gồm các proton và neutron. Phóng to hình ảnh lên chút nữa, người ta tìm thấy những proton và neutron này được cấu tạo từ những hạt còn nhỏ hơn nữa, các quark, kết dính với nhau bởi những hạt gọi là gluon. Trường của gluon này kết hợp các quark với nhau vì các quark trao đổi gluon qua lại.
Gluon còn tạo ra khối lượng. Ví dụ, ở proton, chỉ riêng các quark gây ra chưa tới 1% khối lượng tổng cộng. Các nhà vật lí phỏng đoán phần còn lại phải có gốc gác từ trường gluon xung quanh các quark trong proton.
Chất keo dính vạn vật này là hiện thân của lực mạnh – một trong bốn lực cơ bản đã biết trong vũ trụ của chúng ta, cùng với lực hấp dẫn, lực điện từ và lực yếu. Trong số bốn lực, lực mạnh là phức tạp nhất và có lẽ được người ta hiểu ít nhất.
Trước khi các nhà khoa học có thể có được kiến thức đầy đủ về vật chất nhìn thấy trong vũ trụ của chúng ta – vật chất tạo nên 7 tỉ con người trên Trái đất, các ngôi sao trên bầu trời và mặt đất dưới chân chúng ta – họ sẽ cần hiểu thấu đáo chất keo dính vạn vật liên quan đến lực mạnh. Một thí nghiệm mới tại Phòng thí nghiệm Jefferson ở Mĩ đang tìm cách làm công việc đó.
Minh họa: Sandbox Studio, Chicago
Vật chất và chất keo dính
Ngoài việc giải thích khối lượng tương đối lớn của proton, việc hiểu rõ lực mạnh sẽ giúp trả lời một số bí ẩn khác trong lĩnh vực vật lí hạt cơ bản.
Ví dụ, spin của proton không thể được lí giải bởi riêng những quark cấu thành của nó, chúng đóng góp chưa tới một phần ba của giá trị sau cùng. Tính chất này và những tính chất khác dường như xuất phát từ những thành phần phi quark của proton: chất liệu xuất hiện từ chất keo dính.
Chất liệu này được mô tả bởi lí thuyết sắc động lực học lượng tử (QCD), đó là lí thuyết toán học mô tả lực mạnh. QCD lập biểu đồ tương tác quark (và gluon), giải thích thực tế các quark và gluon không phải là những viên gạch cấu trúc kiểu như gạch và vữa mà thay vậy chúng linh động và mang tính động lực học.
Trong QCD, proton được cấu tạo bởi một biển sôi sục gồm các quark và chất keo dính. Các quark bị vây quanh bởi năng lượng của lực mạnh. Trường năng lượng này sôi và sủi bọt thành các gluon, cùng với vật chất ở dạng quark phù du, chúng hình thành và biến mất gần như tức thời vào chất keo dính. Ngày nay, phần lớn người ta cho rằng biển quark-gluon đó làm cho các tính chất của proton không thể giải thích bởi riêng các quark.
Ngoài ra, lực mạnh quá mạnh nên nó không cho phép một quark độc thân tự tồn tại. Khi các nhà khoa học muốn đánh bật một quark độc thân ra khỏi những quark khác một khoảng cách nhỏ bằng bề rộng của một hạt proton, họ phải chiến thắng 18 tấn lực mạnh kết nối quark đó với các láng giềng của nó. Giải phóng quark tự do còn khó khăn hơn, nhưng lực mạnh vẫn không cho phép quark tự do, thay vậy nó tạo ra một đối hạt cho quark khi nó trôi giạt ra xa. Sự bất lực giải phóng quark tự do này được gọi là sự cầm tù, và nó là một bí ẩn lớn của lực mạnh.
“Các quark không bao giờ tự do,” phát biểu của nhà vật lí lí thuyết Jozef Dudek tại trường Đại học Old Dominion và Phòng thí nghiệm Jefferson. “Và vấn đề là chúng ta không hiểu chính xác, trong QCD, tại sao lại như thế. Chúng ta thật sự không thể chứng minh tại sao lại như thế. Vì thế có hai cách tiếp cận vấn đề.”
“Một là tiếp tục nghiên cứu lí thuyết, tất nhiên rồi. Hướng khác là: Liệu có cái gì chúng ta có thể làm bằng thực nghiệm có thể cung cấp cho chúng ta một gợi ý xem QCD hạn chế ra sao?”
Với hi vọng trả lời được câu hỏi đó, các nhà khoa học đã hướng sang các thí nghiệm được tiến hành với các máy gia tốc hạt.
Hướng vào tâm của vật chất
Các thí nghiệm tiến hành với máy gia tốc mang đến phần lớn kiến thức của chúng ta về QCD. Các máy gia tốc cung cấp cho các nhà khoa học phương tiện có sức mạnh lớn, cho phép khảo sát cấu trúc của một hạt, xé toạc vật chất bình thường để tạo ra các hạt và các trạng thái hiếm của vật chất. Những thí nghiệm như thế cho biết các quark bên trong proton và neutron, làm sáng tỏ những hạt gốc-quark khác, cho phép nhìn thoáng qua những lực tiết chế những hạt đó, tạo ra những trạng thái của vật chất không được nhìn thấy trong vũ trụ kể từ sau Vụ Nổ Lớn (Big Bang), và mới đây, ở cỗ máy giàu năng lượng nhất đang hoạt động hiện nay, Máy Va chạm Hadron Lớn, đã chạm tới boson Higgs.
Nhưng không phải chỉ có sức mạnh vô địch mới có thể làm lộ ra trái tim của vật chất: Các máy gia tốc năng lượng thấp hơn, nhưng độ rọi cao hơn – các máy gia tốc cung cấp tốc độ cao va chạm hạt để nghiên cứu – cũng có thể mang lại hướng khảo sát các hạt và các lực định hình nên vũ trụ của chúng ta.
Minh họa: Sandbox Studio, Chicago
Những công cụ mới để khảo sát chất keo dính
Thiết bị Máy gia tốc Chùm Electron Liên tục của Phòng thí nghiệm Jefferson lâu nay nổi tiếng với những nghiên cứu chính xác của nó. Một đợt nâng cấp hiện đang triển khai nhằm mở rộng độ chính xác của máy gia tốc này lên những năng lượng cao hơn.
Đợt nâng cấp sẽ tăng gấp đôi năng lượng hoạt động cực đại của chùm electron của nó từ 6 tỉ lên 12 tỉ electron-volt (eV), tức là giảm một nửa bước sóng khảo sát. Năng lượng này sẽ tăng gấp đôi tầm với của thiết bị vào trái tim của vật chất mà không làm ảnh hưởng đến độ rọi cao và độ chính xác thống kê lớn của nó.
Để khảo sát chất keo dính lực mạnh, các nhà khoa học sẽ bắn các electron năng lượng cao vào một miếng kim cương mỏng cỡ bằng một phần năm bề dày của một sợi tóc người. Một số electron sẽ bị lệch hướng bởi cấu trúc tinh thể của kim cương, làm phát ra tia gamma đi xuyên qua chiều dài bằng sân bóng vào Phòng D mới xây tại Phòng thí nghiệm Jefferson. Tại đó, chúng sẽ đi qua một cái lỗ bằng một hạt gạo và lao vào bia: một ống thủy tinh chứa đầy hydrogen.
“Photon tương tác với một quark nào đó bên trong một proton trong hydrogen. Nó va rất mạnh và khi đó, hiểu theo nghĩa nào đó, hạt quark bị đánh bật ra khỏi proton, nhưng nó không thật sự bị đánh bật ra khỏi proton, bởi vì lực giam cầm,” phát biểu của giáo sư Curtis Meyer, phát ngôn viên của một thí nghiệm mới ở Phòng D gọi là GlueX. “Vì thế nó kích thích tạo ra một cặp quark-phản quark.”
Đội GlueX sẽ tìm kiếm những cặp quark-phản quark khác lạ liên kết với nhau bởi một loại chất keo dính biến tính.
“Trong khuôn khổ QCD, có một con số cho anh biết các quark kết hợp với gluon mạnh bao nhiêu, và các gluon dính vào nhau với độ lớn ngang như vậy,” Dudek giải thích.
Bằng cách tìm kiếm những cặp quark-phản quark trong đó trường gluon bị kích thích theo một kiểu nào đó – chúng làm cái gì đó thay vì thụ động kết dính các quark lại với nhau – nhóm hợp tác GlueX hi vọng tìm thấy cái gì đó mới mẻ về tác dụng của các gluon.
“Toàn bộ ý tưởng là về cơ bản anh tạo ra một phổ hạt trong đó anh đã kích thích chất keo dính liên kết chúng với nhau,” Meyer nói. “Vì thế nó cung cấp cho anh thông tin về trường liên kết những quark và phản quark này với nhau.”
Liên kết lại với nhau
Từ xấp xỉ 20.000 sự kiện khả dĩ mỗi giây, thí nghiệm GlueX sẽ ghi khoảng 2 gigabyte dữ liệu. Đội thực nghiệm sẽ khai thác cơ sở dữ liệu tích lũy này tìm kiếm những cặp quark-phản quark liên kết bởi những trường gluon khác lạ. Các nhà nghiên cứu sẽ đo khối lượng của các hạt, vì khối lượng liên hệ với năng lượng dự trữ trong chất keo dính kích thích.
“Nhóm hợp tác GlueX đang hồi hộp chờ đợi sự khởi động của nền vật lí mới sau hai năm nữa,” Meyer nói. “Con đường khoa học với GlueX đã bước vào giai đoạn cuối của nó, vì việc xây dựng thí nghiệm đã bước sang giai đoạn lắp đặt và trang bị. Thí nghiệm này thu hút số lượng nghiên cứu sinh đông đảo và sự tăng tương ứng các trao đổi khoa học mà chúng tôi sẽ làm, và cách chúng tôi sẽ làm.”
Tóm lại, thời gian hào hứng đang ở trước mắt. Các nhà nghiên cứu hiện đang lắp ráp trang thiết bị cần thiết để tiến hành thí nghiệm chi tiết này. Những dữ liệu đầu tiên sẽ bắt đầu tuôn dòng vào năm 2015.
Nguồn: Kandice Carter (Symmetry Magazine)
