“Vườn bách thú” hạt hạ nguyên tử
Thập niên 1950 cũng đánh dấu một sự bùng nổ tăng trưởng trong lĩnh vực nghiên cứu các hạt hạ nguyên tử. Năm 1952, một loại máy gia tốc mới đã được phát minh và chế tạo. Gọi tên là synchrocyclotron hay synchrotron, nó bổ sung cho những hạn chế tương đối tính trong thiết kế cyclotron ban đầu như đã lưu ý ở chương trước. Như vậy, người ta có thể bắt chước sự sản sinh những hạt tia vũ trụ trong tầng trên khí quyển.
Cùng năm đó, Donald A. Glaser (1926– ) thuộc trường đại học Michigan phát minh ra một loại máy dò hạt mới và nhạy hơn gọi là buồng bọt. Sự kết hợp những cỗ máy gia tốc mới để đạt tới năng lượng cao hơn và cải tiến các máy dò để đo đường đi của những hạt hạ nguyên tử có thời gian sống ngắn – chúng thường phân hủy thành những hạt khác – dẫn tới sự khám phá ra một vài loại hạt mới có sự tồn tại mang tính thách đố như câu hỏi cái gì chi phối hạt muon. Các nhà khoa học đã đặt tên cho từng hạt mới và lập danh mục khối lượng, điện tích, spin, thời gian sống của nó, và tương tác của nó với/hoặc biến đổi thành những hạt khác.
Với ngoại lệ neutrino và phản neutrino, toàn bộ những hạt mới phát hiện thuộc thập niên 1950 ít nhất cũng nặng như proton và neutron. Các nhà vật lí gọi những hạt đó là baryon, từ tiếng Hi Lạp có nghĩa là nặng. Baryon mới đầu tiên được phát hiện, vào năm 1951 bởi nhóm nghiên cứu tia vũ trụ Butler tại Manchester (người trước đó đã tìm ra kaon), là một hạt trung hòa điện, nặng hơn neutron khoảng 20%. Họ đặt tên cho nó là lambda do những vết tích tiết lộ sự tồn tại của nó trong một buồng mây. Kí hiệu viết hoa của chữ cái Hi Lạp đó trông như chữ “V” ngược. Vì nó không mang điện, nên hạt lambda chẳng để lại vết tích gì trong buồng mây, nhưng nó phân hủy thành một cặp hạt tích điện để lại vết tích hình chữ lambda đặc trưng trên đường đi qua của chúng.
Theo thứ tự phát hiện, những baryon khác được tìm ra trong thập niên thứ sáu của thế kỉ 20 là xi trừ (1952), sigma cộng và sigma trừ (1953), phản proton (người ta trông đợi nhiều nhưng tới năm 1955 mới phát hiện), phản neutron (cũng được trông đợi, nhưng chờ đến năm 1956 mới lộ diện), sigma không (1956), phản lambda (1958), và xi không (1959). Không có meson khối lượng trung bình mới nào được phát hiện ra trong thập niên 1950, nhưng năm 1956, Clyde Cowan (1919–74) và Frederick Reines (1918–98) thuộc Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos ở Mĩ, phát hiện ra neutrino và phản neutrino đã được tiên đoán từ lâu nhưng hay lảng tránh, trong một lò phản ứng hạt nhân. Hai thành viên mới này của họ hàng hạt nhẹ lepton gia nhập cùng với electron, positron, muon, và phản muon.
Các khám phá Cowan-Reines sớm được gọi tên chính xác hơn là neutrino electron và phản neutrino electron. Lí do thêm từ electron vào tên của chúng là vì phát hiện ra sự phân rã phóng xạ beta – trong đó một neutron biến đổi thành một proton, một electron (hạt beta), và một phản neutrino electron – chỉ là một thí dụ của sự biến đổi hạt sơ cấp do lực hạt nhân yếu chi phối. Các buồng bọt và synchrotron không những cho phép các nhà vật lí có thể phát hiện ra những baryon mới, mà còn nghiên cứu những tương tác và biến đổi đa dạng mà những hạt đó trải qua. Họ phát hiện thấy những baryon lớn phân hủy tương tự như các neutron trong phân hủy beta, nhưng chúng sinh ra một muon và một neutrino muon (hoặc phản neutrino muon) thay vì một electron và neutrino của nó. Giờ thì đã có câu trả lời cho câu hỏi cái gì chi phối hạt muon, nhưng nó mang theo sự tiên đoán một loại neutrino mới chưa được phát hiện ra.
Các nhà vật lí sớm đối mặt trước một loạt hạt với những tính chất biến thiên đa dạng như các loài trong vườn bách thú. Nó nhắc họ nhớ tới tình huống trong ngành hóa học trước khi khám phá ra bảng tuần hoàn của các nguyên tố. Họ hi vọng một Mendeleyev thời hiện đại sẽ xuất hiện trong thập niên 1960 để khám phá ra một khuôn khổ trật tự nhằm sắp xếp các thành viên của “vườn bách thú hạt cơ bản”, và một Pauli mới để tìm ra nguyên tắc xây dựng trật tự đó. Murray Gell-Mann (1929– ) hóa ra sẽ là cả hai hiện thân vừa nói.
Gell-Mann lần đầu tiên gây sự chú ý rộng rãi với một khám phá có nhiều thành quả vào năm 1954, khi ông là một vị giáo sư trẻ tại trường đại học Chicago. Nhà vật lí người Nhật Kazuhiko Nishijima (1926– ), một cách độc lập, đã đi đến ý tưởng tương tự, gần như là đồng thời. Mỗi người đề xuất một con số lượng tử mới để mô tả những tương tác giữa những hạt kì lạ mới được phát hiện ra đó: hạt kaon trong họ hàng meson, và lambda, xi và sigma trong nhóm baryon. Với một chút khôi hài của một nhà vật lí tiêu biểu, Gell-Mann gọi tên đó là số lạ. Mặc dù Gell-Mann và Nishijima đều không rõ tính chất vật lí mà con số lượng tử mới đó biểu diễn là gì, nhưng họ chắc chắn nó là quan trọng vì nó được bảo toàn trong các tương tác liên quan đến lực hạt nhân mạnh: Cho dù xảy ra sự biến đổi nào đi nữa, thì tổng số lạ của các hạt có liên quan lúc sau bằng như lúc đầu. Các định luật bảo toàn luôn luôn biểu thị cái gì đó có tầm quan trọng vật lí sâu sắc. Như sẽ trình bày trong chương sau, khả năng của Gell-Mann nhìn thấy tính ngăn nắp giữa các hạt trong vườn bách thú không những mang đến sự hiểu biết về tính lạ mà còn định nghĩa lại cái các nhà vật lí xem là một hạt cơ bản của vật chất.
Xem lại Phần 35
Còn tiếp...
