Tìm thấy bằng chứng của tetraquark

Các nhà vật lí làm việc tại hai phòng thí nghiệm vật lí hạt độc lập nhau đã tìm thấy bằng chứng trêu ngươi cho một hadron mới và bí ẩn. Đặt tên là Z_c(3900), hạt mới trông có vẻ là một “charmonium tích điện” và có cấu trúc quark không giống với hạt nào đã biết trước đây. Nghiên cứu hạt Z_c(3900) có thể cung cấp những thông tin mới quan trọng về lực mạnh liên kết các quark với nhau bên trong hadron.

Charmonia là hạt meson nặng, chứa một quark duyên và một quark phản duyên. Vì chúng là hạt ghép, nên chúng có thể tồn tại trong một số trạng thái năng lượng khác nhau – nổi tiếng nhất là trạng thái kích thích bậc một gọi là hạt J/ψ. Được phát hiện vào năm 1974, hạt J/ψ đã giúp các nhà vật lí lần đầu tiên nhận ra rằng các quark là có thật. Mặc dù các nhà vật lí đã biết thêm nhiều về các quark trong hơn bốn thập niên qua, nhưng các lí thuyết hiện nay vẫn chưa đủ tốt để dự đoán kết hợp nào trong nhiều kết hợp khả dĩ của các quark sẽ tạo ra những meson bền.

Phải chăng Z_c(3900) là một tetraquark tích điện?

Những hạt XYZ bí ẩn

Z_c(3900) được nhận diện một cách độc lập bởi các nhà vật lí thuộc thí nghiệm BESIII ở Bắc Kinh và thí nghiệm Belle ở Tsukuba, Nhật Bản. Cả hai đội nghiên cứu đều tập trung vào hạt Y(4260) bí ẩn, hạt được phát hiện ra vào năm 2005 tại thí nghiệm BaBar ở Mĩ. Y(4260) có lẽ là hạt khó hiểu nhất trong số các hạt “XYZ”, những hạt được tạo ra trong thập niên vừa qua tại BaBar, Belle, BESIII và nhiều nơi khác.

Mặc dù người ta tin rằng chúng là kết hợp của các quark, nhưng các hạt XYZ cho đến nay vẫn thuộc loại khó hiểu. Thoạt nhìn, với khối lượng khoảng 4,260 GeV/c², hạt Y(4260) có vẻ là một meson charmonium. Tuy nhiên, nghiên cứu kĩ hơn cho thấy các tính chất của nó không thể nào giải thích đơn giản theo một quark duyên và một quark phản duyên liên kết với nhau bởi lực mạnh.

Một cách giải thích khả dĩ là Y(4260) là một bộ phận của một họ hàng mới gồm những hạt “charmonium lai” trong đó các gluon trung chuyển lực mạnh tồn tại trong các trạng thái kích thích. Hoặc là Y(4260) có thể chứa 4 quark thay vì 2 quark (một cấu trúc tetraquark) – và có thể na ná một “phân tử” gồm hai meson liên kết với nhau.

Hơn cả dự tính

Để hiểu rõ hơn hạt Y(4260), đội BESIII và Belle đã tạo ra một số lượng lớn hạt bằng cách cho electron va chạm với positron. Trong khi Y(4260) có thời gian sống quá ngắn nên nó không thể được phát hiện trực tiếp, thì dấu hiệu của nó biểu hiện trong phổ năng lượng của các pion và hạt J/ψ sinh ra trong va chạm.

Nhưng cả hai đội tìm thấy nhiều hơn dự tính ban đầu – bằng chứng của một hạt Z_c(3900) ngoài trông đợi với khối lượng khoảng 3,9 GeV/c². Hạt mới này còn bí ẩn hơn so với Y(4260) vì có vẻ nó phân hủy thành một pion tích điện và một hạt J/ψ trung hòa điện. Điều này có nghĩa là Z_c(3900) phải mang điện tích, do đó nó không đơn giản gồm một quark duyên và một quark phản duyên.

Một cách lí giải cho hành trạng này là hạt tích điện mới đó là một phân tử gồm hai quark d bằng cách nào đó liên kết với nhau – cái đã được một số mô hình tương tác quark dự đoán. Một khả năng khác, trêu ngươi hơn, là Z_c(3900) là một tetraquark gồm một cặp duyên-phản duyên cộng với một quark up và một quark phản down. Nếu đúng là trường hợp thứ hai, thì số lượng hadron khả dĩ được phép trong tự nhiên có thể lớn hơn con số các nhà vật lí từng nghĩ – và bằng cách nghiên cứu những hạt mới này, người ta có thể hiểu thêm về các tương tác quark năng lượng thấp.

“Với [BESIII], chúng tôi có thể tích lũy thêm nhiều dữ liệu sẽ cho phép nghiên cứu toàn diện hơn trạng thái charmonium tích điện khác lạ này,” phát biểu của Yifang Wang, giám đốc Viện Vật lí Năng lượng Cao ở Bắc Kinh và là thành viên của đội BESIII. “Khi toàn bộ những kết quả này được dùng làm input cho lí thuyết, thì chúng ta có thể bắt đầu mở rộng cửa sang hiểu đầy đủ hơn các hạt XYZ đã được phát hiện trong những năm gần đây.”

Khám phá của hai đội được công bố trong hai bài báo đăng trên tạp chí Physical Review Letters (Phys. Rev. Lett. 110 252001 và Phys. Rev. Lett. 110 252002).

Nguồn: physicsworld.com