Thí nghiệm LHCb tìm thấy hai hạt mới

Hôm 19/11 vừa qua, thí nghiệm LHCb tại Máy Va chạm Hadron Lớn thuộc CERN đã công bố khám phá hai hạt mới, mỗi hạt được cấu tạo bởi ba quark.

Hai hạt mới, tên gọi là Xi_b’- và Xi_b*-, đã được mô hình quark dự đoán nhưng chưa từng được quan sát thấy. Nhóm hợp tác LHCb đã gửi đăng một bài tường thuật kết quả cho tạp chí Physical Review Letters.

Tương tự như các proton mà LHC làm gia tốc và cho va chạm, hai hạt mới này là baryon và được cấu tạo bởi ba quark liên kết với nhau bằng lực mạnh.

Nhưng không giống như proton – hạt gồm hai quark lên (up) và một quark xuống (down) – cả hai hạt Xi_b mới đều chứa một quark xinh (beauty), một quark lạ (strange) và một quark xuống. Vì các quark b quá nặng, nên những hạt này có khối lượng gấp 6 lần khối lượng proton.

Thí nghiệm LHCb

“Chúng tôi có lí do hợp lí để tin rằng chúng tôi sẽ có thể nhìn thấy ít nhất một trong hai hạt đã được dự đoán này,” phát biểu của Steven Blusk, một nhà nghiên cứu LHCb, phó giáo sư vật lí tại trường Đại học Syracuse. “Chúng tôi có đủ may mắn thấy cả hai hạt. Khám phá cái gì đó mới mẻ luôn là chuyện rất hào hứng.”

Mặc dù hai hạt mới chứa tổ hợp quark giống nhau, nhưng chúng có cấu hình spin khác nhau – spin là một tính chất cơ lượng tử mô tả moment động lượng của hạt. Chính sự khác biệt spin này khiến Xi_b*- hơi nặng hơn Xi_b'- một chút.

“Tự nhiên thật tử tế và đã cho chúng tôi hai hạt theo kiểu mua một-tặng một,” phát biểu của nhà nghiên cứu Matthew Charles thuộc trường Đại học Paris VI. “Hạt Xi_b'- có khối lượng rất gần với tổng khối lượng của các sản phẩm phân hủy của nó. Nếu nó chỉ hơi nhẹ hơn chút thôi, thì chúng ta sẽ chẳng nhìn thấy nó được.”

Ngoài khối lượng của những hạt này,đội LHCb còn nghiên cứu tỉ lệ sinh họ hàng của chúng, quãng của chúng – đó là một số đo mức độ bền của chúng – và các chi tiết khác của phân hủy của chúng. Các kết quả ăn khớp với dự đoán dựa trên lí thuyết Sắc động lực học lượng tử (QCD).

“QCD là một khuôn khổ quyền năng mô tả tương tác của các quark, nhưng nó không chính xác,” Blusk nói. “Nếu chúng ta thật sự nhìn thấy cái gì đó mới mẻ, thì chúng ta cần phải có khả năng phát biểu rằng đó không phải là kết quả của các bất định trong QCD, mà thật sự là cái gì đó mới mẻ và bất ngờ. Đó là lí do chúng ta cần có dữ liệu chính xác và các phép đo chính xác như thế này – để tinh chỉnh các mô hình của chúng ta.”

Máy dò hạt LHCb là một trong bốn thí nghiệm chính tại Máy Va chạm Hadron Lớn. Nó được thiết kế riêng để nghiên cứu các hadron và tìm kiếm các hạt mới.

“Khi bạn xét khối lượng càng lớn, thì bạn càng khó phát hiện ra những hạt mới và đòi hỏi khả năng dò hạt độc nhất vô nhị,” Blusk nói. “Những phép đo mới này thật sự khai thác sức mạnh của máy dò hạt LHCb, nó có khả năng độc nhất vô nhị nhận diện rõ ràng các hadron.”

Các số đo được thực hiện với dữ liệu thu thập tại LHC trong năm hoạt động 2011-2012. LHC hiện đang được chuẩn bị ráo riết - sau kì nghỉ dưỡng kéo dài đầu tiên của nó – để hoạt động ở mức năng lượng cao hơn và với những chùm hạt cường độ mạnh hơn. Theo lịch định, nó sẽ hoạt động trở lại vào mùa xuân năm 2015.

“Tôi là người tin tưởng tuyệt đối rằng hễ khi nào bạn tìm kiếm cái gì đó, thì luôn luôn có khả năng bạn sẽ tìm thấy cái gì đó khác hoàn toàn bất ngờ,” Blusk nói. “Tiến hành những tìm kiếm chủng loại hạt như thế này mở ra cánh cửa cho việc khám phá nền vật lí mới. Chúng ta chỉ mới đang bắt đầu khảo sát vùng đất b-baryon, và có thêm nhiều dữ liệu từ đợt chạy kế tiếp của LHC sẽ cho phép chúng ta khám phá thêm nhiều hạt chưa từng thấy trước đây.

Nguồn: Symmetry Magazine