Đây là một sự thật bí ẩn mà các nhà khoa học đã biết từ năm 1983: Proton và neutron hành xử khác khi chúng ở bên trong hạt nhân nguyên tử, so với khi trôi giạt tự do trong không gian. Đặc biệt, các hạt hạ nguyên tử cấu tạo nên proton và neutron, gọi là quark, đồng loạt chậm đi khi chúng bị giam cầm trong hạt nhân của một nguyên tử nào đó.
Các nhà vật lí chẳng thích điều này chút nào, bởi lẽ neutron vẫn là neutron thôi, dù chúng có ở bên trong một nguyên tử nào đó hay không. Và proton thì cứ là proton mới phải. Cả proton và neutron (được gọi tên chung là “nucleon”) đều được làm bằng ba hạt nhỏ hơn, gọi là quark, liên kết với nhau bằng lực mạnh.
“Khi bạn đặt các quark vào một hạt nhân, chúng bắt đầu chuyển động chậm lại, và điều đó là rất kì cục,” phát biểu của Or Hen, một nhà vật lí tại Viện Công nghệ Massachusetts. Điều đó lạ bởi lẽ các tương tác cường độ mạnh giữa các quark chủ yếu định đoạt tốc độ của chúng, trong khi các lực liên kết hạt nhân (và đồng thời tác dụng lên các quark bên trong hạt nhân) được cho là rất yếu, Hen cho biết.
Và chẳng có lực nào khác được biết sẽ làm biến đổi hành trạng của các quark bên trong hạt nhân đi nhiều như thế. Thế nhưng, hiệu ứng vẫn tồn tại: Các nhà vật lí hạt gọi nó là EMC (European Muon Collaration), tên nhóm đã tìm thấy nó. Và mãi cho đến thời gian gần đây, các nhà khoa học vẫn không chắc nguyên nhân gì gây ra nó.
Hai hạt trong một hạt nhân thường được hút nhau bởi một lực chừng 8 triệu electron volt (8 MeV), một số đo năng lượng trong vật lí hạt. Các quark trong một proton hay neutron được liên kết bởi chừng 1.000 MeV. Vì thế sẽ là phi lí nếu nói các tương tác tương đối yếu của hạt nhân đang tác động mạnh lên các tương tác cường độ mạnh bên trong các quark.
“Tám thì là gì so với 1.000 chứ?” ông nói.
Thế nhưng hiệu ứng EMC chẳng trông giống một cú hích nhẹ từ một lực bên ngoài. Mặc dù nó biến thiên từ loại hạt nhân này sang loại khác, song “Nó chẳng giống tẹo nào. Hiệu ứng xuất hiện trong dữ liệu một khi bạn đủ sáng tạo để thiết kế một thí nghiệm tìm kiếm nó,” Hen nói.
Tùy thuộc vào hạt nhân đang nghiên cứu, kích cỡ biểu kiến của các nucleon (nó là một hàm theo tốc độ của chúng) có thể biến đổi 10 đến 20 phần trăm. Trong hạt nhân vàng, chẳng hạn, các proton và neutron nhỏ hơn 20% so với khi chúng trôi giạt tự do.
Các nhà lí thuyết đã đi tới rất nhiều mô hình khác nhau nhằm giải thích cái đang diễn ra ở đây, Hen nói.
“Một người bạn của tôi nói đùa rằng EMC là viết tắt cho ‘Everybody’s Model is Cool’ (Mô hình của ai cũng đẹp) vì mỗi mô hình đều có vẻ như lí giải được nó,” ông nói.
Thế nhưng theo thời gian, các nhà vật lí tiến hành nhiều thí nghiệm hơn, kiểm tra các mô hình khác nhau đó, và hết lần này đến lần khác họ đều bó tay.
“Chẳng ai có thể giải thích hết toàn bộ dữ liệu, và chúng ta còn lại một câu đố to đùng. Bây giờ chúng ta có rất nhiều dữ liệu, các phép đo về cách các quark chuyển động bên trong mọi loại hạt nhân khác nhau, và chúng ta vẫn không thể giải thích cái gì đang xảy ra,” ông nói.
Thay vì cố gắng lí giải toàn bộ câu đố cùng lúc, Hen và đồng sự của ông quyết định khảo sát chỉ một trường hợp đặc biệt của tương tác neutron và proton.
Dưới đa số các trường hợp, các proton và neutron trong một hạt nhân không chồng lấn lên nhau, thay vào đó chúng tôn trọng ranh giới của nhau – mặc dù thật ra chúng chỉ là những hệ quark liên kết mà thôi. Song thỉnh thoảng, các nucleon trở nên liên kết với nhau bên trong hạt nhân hiện hữu, và bắt đầu chồng lấn lên nhau trong khoảng thời gian ngắn, trở thành cái các nhà khoa học gọi là “các cặp tương liên”. Tại mỗi thời điểm, chừng 20% số nucleon trong một hạt nhân chồng lấn theo kiểu này.
Khi điều đó xảy ra, có một dòng năng lượng rất lớn chảy giữa các quark, làm thay đổi căn bản cấu trúc liên kết và hành trạng của chúng – một hiện tượng có nguyên nhân bởi lực mạnh. Trong một bài báo công bố trên tạp chí Nature ngày 20 tháng Hai 2019, các nhà nghiên cứu cho rằng dòng năng lượng này giải thích chính xác cho hiệu ứng EMC.
Đội nghiên cứu đã bắn phá rất nhiều loại hạt nhân khác nhau bằng electron, và tìm thấy một mối liên hệ trực tiếp của các cặp nucleon này và hiệu ứng EMC.
Theo Hen, dữ liệu của họ đề xuất mạnh mẽ rằng các quark trong đa số nucleon không thay đổi gì cả khi chúng đi vào một hạt nhân. Mà là một vài quark trong các cặp nucleon đã thay đổi hành trạng của chúng quá nhiều thành ra làm xiên lệch kết quả trung bình trong các thí nghiệm. Nhiều quark gói ghém vào một không gian nhỏ như thế gây ra một số hiệu ứng lực mạnh. Hiệu ứng EMC là kết quả của một thiểu số dị thường, chứ không phải do sự thay đổi hành trạng của mọi proton và neutron.
Từ dữ liệu đã có, đội nghiên cứu rút ra được một hàm toán học mô tả chính xác hiệu ứng EMC hành xử như thế nào từ hạt nhân này sang hạt nhân khác.
“Họ [các tác giả của bài báo] đã đưa ra một dự đoán, và dự đoán của họ ít nhiều được xác nhận,” theo lời nhà vật lí Gerald Feldman tại Đại học Georgr Washington nhận xét trên tạp chí Nature. Đó là bằng chứng mạnh mẽ cho thấy ghép cặp này là đáp số thật sự cho bí ẩn EMC, Feldman nói.
Sau 35 năm, các nhà vật lí hạt dường như đã giải được bài toán với quá nhiều đáp số sai này. Hen cho biết ông và các đồng sự đã có các thí nghiệm tiếp theo được lên kế hoạch nhằm khảo sát vấn đề sâu sắc hơn nữa, và làm lộ ra những chân lí mới chưa biết về hành trạng của các nucleon ghép cặp bên trong các nguyên tử.
Nguồn: LiveScience
