Sử dụng máy gia tốc electron tại Phòng thí nghiệm Jefferson ở Virginia, Mĩ, các nhà vật lí đã lập thành công bản đồ phân bố áp suất bên trong proton. Khai thác sự tán xạ Compton, đội nghiên cứu đã chứng minh rằng áp suất đẩy cực mạnh lên các quark ở tâm của proton được cân bằng bởi lực hút mạnh của vùng rìa. Nghiên cứu làm sáng tỏ thêm về các quark bị giam cầm như thế nào bên trong proton và các hadron khác – đó là một trong những bí ẩn quan trọng của vật lí hạt hiện đại.
Sắc động lực học nói rằng lực hạt nhân mạnh liên kết các quark vào proton thông qua sự trao đổi những hạt lực gọi là gluon, giống hệt như lực điện từ liên kết electron vào nguyên tử bằng cách trao đổi các photon. Trong khi lực điện từ yếu dần khi khoảng cách tăng dần, thì lực hạt nhân mạnh trở nên mạnh hơn. Do đó, việc đánh bật một quark ra khỏi proton và nghiên cứu nó trong tình trạng cô lập là chuyện không thể. Thay vậy, việc va đập thật mạnh một hạt quark cấp cho trường gluon nhiều năng lượng đến mức một cặp quark-phản quark được tạo ra. “Bạn sẽ tạo ra hoặc là một neutron cộng với một meson (một trạng thái liên kết gồm một quark và một phản quark) hoặc một proton cộng với một meson,” theo lời Volker Burkert tại Jefferson Lab. “Chúng tôi muốn nghiên cứu sự chuyển tiếp từ một proton sang một proton để chúng tôi có thể thấy cái gì đang xảy ra trong chính hạt proton ấy – chứ không nghiên cứu sự chuyển tiếp sang một trạng thái nào khác.”
Lần đầu tiên các nhà vật lí đo được áp suất bên trong proton
Vào năm 1996, Xiangdong Ji tại Đại học Maryland đã đề xuất một cách làm việc này bằng cách sử dụng một quá trình gọi là “tán xạ Compton cực ảo”. Quá trình này cho bắn các electron năng lượng cao, phân cực spin, vào các proton. Ji nhận thấy một electron như thế có thể trao đổi năng lượng và moment động lượng với một proton ở dạng một photon ảo năng lượng cao, quá trình chỉ tồn tại trong một phần hết sức nhỏ của một giây. Sau đó hạt proton giải phóng một phần năng lượng dư thừa này ở dạng một photon thực sự. Ji chứng minh trên lí thuyết rằng, nếu electron tán xạ cùng proton và photon phát xạ đều được dò thấy, thì điều này có thể làm rõ áp suất bên trong proton.
Sự tán xạ Compton cực ảo lần đầu tiên được phát hiện trên thực nghiệm vào năm 2000 bởi nhóm của Burkert tại Jefferson Lab và, một cách độc lập, bởi các nhà vật lí ở Đức. Sau đó đã có một vài phát triển thực nghiệm lẫn lí thuyết do Burkert, Ji và những người khác thực hiện, ví dụ như các phép đo xác suất để quá trình tán xạ sẽ xảy ra (đo tiết diện tán xạ) đối với các electron phân cực spin có năng lượng khác nhau và các phép tính toán về những liên kết giữa sự tán xạ và áp suất bên trong proton.
Trong nghiên cứu mới, Burkert và các đồng sự tại Jefferson Lab lần đầu tiên kết hợp toàn bộ những kết quả này lại trong một thí nghiệm. Họ đã đo sự tán xạ Compton cực ảo giữa một chùm electron phân cực spin 6 GeV và một tấm bia hydrogen lỏng cực lạnh để khảo sát áp suất bên trong của proton. Họ tính được có một áp suất đẩy ở tâm của proton vào khoảng 1035 Pa – lớn hơn nhiều so với áp suất tại tâm của một sao neutron. Tuy nhiên, ở cách tâm khoảng 0,6 fm (0,6.10-15 m), các lực trở thành lực hút mạnh và đạt cực đại ở bán kính 0,8 fm. Các nhà nghiên cứu cho biết đây là một tiến bộ đáng kể so với hiểu biết trước đây của chúng ta về áp suất bên trong proton. Họ dự đoán sẽ có thể tiếp tục giảm thiểu sai số của phép đo sau đợt nâng cấp mới đây của Jefferson Lab từ 6 GeV lên 12 GeV, có khả năng vén màn những bí ẩn của sự giam cầm quark. Các nhà nghiên cứu còn dự định khảo sát sự tán xạ Compton cực ảo ở neutron.
“Tôi nghĩ đây là một sự khái quát hóa thật sự thú vị của quan niệm lí thuyết về áp suất,” phát biểu của Oleg Teryaev tại Liên Viện Nghiên cứu Hạt nhân ở Dubna, Nga. “Áp suất thống nhất mọi cấp độ, từ vũ trụ và vũ trụ học – nơi bạn có hằng số vũ trụ – cho đến các sao, đến thủy động lực học, đến vật lí học ion nặng và nay cuối cùng đến các proton. Mọi bộ phận của liên hệ này có thể được nghiên cứu và tôi đang háo hức chờ đợi điều đó.”
Nghiên cứu công bố trên tạp chí Nature.
Nguồn: physicsworld.com
