Khám phá hạt sơ cấp mới

Các nhà khoa học thuộc nhóm hợp tác DZero tại phòng thí nghiệm Fermilab ở Mĩ vừa khám phá một hạt sơ cấp mới – thành viên mới nhất bổ sung vào họ hàng hạt kì lạ được gọi là tetraquark.

Quark là những hạt dạng điểm thường xuất hiện dưới dạng gói gồm hai hoặc ba hạt, quen thuộc nhất trong số đó là proton và neutron (mỗi hạt này gồm ba quark). Có sáu loại, hay sáu “mùi” quark: lên (up), xuống (down), lạ (strange), duyên (charm), đáy (bottom) và đỉnh (top). Mỗi hạt loại này có một đối hạt phản vật chất.

Trong hơn 60 năm qua, các nhà khoa học đã quan sát hàng trăm kết hợp của các bộ đôi và bộ ba quark.

Hồi năm 2003, các nhà khoa học thuộc thí nghiệm Belle ở Nhật Bản đã báo cáo bằng chứng đầu tiên của các quark xuất hiện dưới dạng bộ tứ, tạo thành một tetraquark. Kể từ đó, thỉnh thoảng các nhà vật lí chứng kiến các ứng cử viên tetraquark khác nhau, trong đó có khám phá mới đây của DZero – kết hợp đầu tiên được quan sát gồm bốn mùi quark khác nhau.

DZero là một trong hai thí nghiệm tại máy va chạm Tevatron thuộc Fermilab. Mặc dù Tevatron đã ngừng hoạt động hồi năm 2011, nhưng các thí nghiệm vẫn tiếp tục phân tích hàng tỉ sự kiện đã ghi nhận trước đó từ các va chạm của nó.

Như xảy ra với nhiều khám phá khác, các quan sát tetraquark xuất hiện thật bất ngờ khi các nhà khoa học DZero lần đầu tiên nhìn thấy các dấu hiệu vào tháng 7 năm 2015 của hạt mới, gọi là X(5568), đặt theo tên khối lượng của nó – 5568 mega electron-volt.

“Thoạt đầu, chúng tôi không tin nó là một hạt mới,” phát biểu của phát ngôn viên DZero Dmitri Denisov. “Chỉ sau khi đã tiến hành nhiều phép kiểm tra chéo chúng tôi mới bắt đầu tin rằng tín hiệu mà chúng tôi nhìn thấy không thể nào giải thích bởi phông nền hay các quá trình đã biết, mà là bằng chứng của một hạt mới.”

Và X(5568) không chỉ là một tetraquark mới. Trong khi các tetraquark đã quan sát chứa ít nhất hai mùi giống nhau, thì X(5568) có bốn mùi khác nhau: lên, xuống, lạ và đáy.

“Câu hỏi tiếp theo sẽ là tìm hiểu xem bốn quark kết hợp với nhau như thế nào,” phát biểu của đồng phát ngôn viên DZero Paul Grannis. “Chúng có thể nhồi nhét chung trong một quả cầu chật chội, hoặc chúng có thể là một cặp quark liên kết chặt quay xung quanh nhau ở một cự li nào đó.”

Các trạng thái bốn quark hiếm gặp, và mặc dù không gì ngăn cấm sự hình thành của một tetraquark, nhưng các nhà khoa học không hiểu chúng rõ như họ hiểu các trạng thái hai quark và ba quark.

Khám phá mới này là bước tiến mới tiếp theo quan sát đầu tiên của một pentaquark – một hạt năm quark – được công bố hồi năm ngoái bởi thí nghiệm LHCb tại Máy Va chạm Hadron Lớn.

Các nhà khoa học sẽ làm rõ hơn bức tranh tứ quark của họ bằng cách tiến hành các phép đo các tính chất ví dụ như các cách X(5568) phân hủy hoặc spin quanh trục của nó là bao nhiêu. Tương tự như các nghiên cứu tetraquark xuất hiện trước đây, các nghiên cứu X(5568) sẽ cung cấp thêm một cửa sổ mới nhìn vào cơ chế vận hành của lực mạnh liên kết các quark lại với nhau.

Và có lẽ các loại tetraquark đang xuất hiện sẽ trở thành một họ được biết rõ trong tương lai, và chúng sẽ trình hiện đông đảo như các họ hàng hai quark và ba quark của chúng.

“Việc khám phá một thành viên độc đáo của họ hàng tetraquark gồm bốn mùi quark khác nhau sẽ giúp các nhà lí thuyết phát triển các mô hình sẽ cho phép hiểu rõ hơn những hạt này,” phát biểu của giám đốc Fermilab Nigel Lockyer.

Thí nghiệm DZero là chương trình hợp tác quốc tế gồm 75 cơ quan đến từ 18 quốc gia.

Nguồn: Symmetry Magazine