7 sự thật kì lạ về các quark

Quark là những hạt không những khó nhìn thấy, mà hầu như không thể đo được. Những hạt tí hon này là cơ sở của các hạt hạ nguyên tử gọi là hadron. Tuy nhiên, với mỗi khám phá vật lí trong lĩnh vực vật lí hạt trong 50 năm qua, càng có thêm những câu hỏi phát sinh về cách các quark ảnh hưởng đến sự phát triển và số phận tối hậu của vũ trụ. Dưới đây là 7 sự thật kì lạ về các quark.

1. Xuất hiện ngay sau Big Bang

Những hạt quark đầu tiên xuất hiện lúc khoảng 10^-12 giây sau khi vũ trụ ra đời, trong cùng giai đoạn mà lực yếu (nguyên nhân gây ra sự phóng xạ) tách khỏi lực điện từ. Các phản hạt của quark cũng xuất hiện đồng thời.

2. Được khám phá trong máy va chạm nguyên tử

Một bí ẩn nảy sinh hồi thập niên 1960 khi các nhà nghiên cứu sử dụng Trung tâm Máy gia tốc Thẳng Stanford tìm thấy rằng các electorn bị tán xạ lên nhau ở những góc rộng hơn tính toán đề xuất. Nghiên cứu thêm sau đó tìm thấy rằng có ít nhất ba vị trí tại đó các electron bị tán xạ nhiều hơn kì vọng bên trong nucleon hay lõi của những nguyên tử này, nghĩa là có cái gì đó gây ra sự tán xạ như thế. Đó là cơ sở cho hiểu biết ngày nay của chúng ta về các quark.

3. Được James Joyce nhắc tới

Murray Gell-Mann, đồng tác giả của mô hình quark vào thập niên 1960, đã lấy cảm hứng cho tên gọi từ cuốn tiểu thuyết Finnegan’s Wake của nhà văn James Joyce, “Ba quark cho Muster Mark!”. (Cuốn sách ra đời trước khi các quark được khám phá và vì thế tên gọi của chúng được viết như vậy.)

4. Có sáu mùi

Các nhà vật lí phân loại các quark theo mùi: lên (up), xuống (down), lạ (strange), duyên (charm), đáy (bottom), và đỉnh (top). Khác biệt lớn nhất giữa các mùi là khối lượng của chúng, song một số còn khác nhau bởi điện tích và spin. Chẳng hạn, trong khi mọi quark đều có cùng spin 1/2, thì ba trong số chúng (lên, duyên và đỉnh) có điện tích 2/3, và ba hạt kia (xuống, lạ và đáy) có điện tích – 1/3. Và bởi vì một quark bắt đầu xuất hiện với mùi này không có nghĩa là nó luôn như vậy; quark xuống có thể dễ dàng chuyển hóa thành quark lên, và quark duyên có thể biến đổi thành quark lạ.

5. Không thể đo lường

Các quark là không thể đo được, do bởi năng lượng cần thiết để tạo ra một tương đương phản vật chất (gọi là một phản quark) trước khi chúng có thể được quan sát độc lập. Khối lượng của các quark được xác định tốt nhất bằng các kĩ thuật như sử dụng siêu máy tính để mô phỏng các tương tác giữa các quark và gluon, với gluon là các hạt kết nối các quark với nhau.

6. Dạy chúng ta biết về vật chất

Vào năm 2014, các nhà nghiên cứu đã công bố quan sát đầu tiên về một quark duyên phân hủy thành phản hạt của nó, cung cấp thêm thông tin về cách vật chất hành xử. Bởi lẽ các hạt và phản hạt sẽ hủy lẫn nhau, nên người ta nghĩ vũ trụ phải có vừa vặn số lượng photon và các hạt sơ cấp khác. Thế nhưng phản photon và phản vật chất vẫn tồn tại, đưa đến bí ẩn vì sao vũ trụ được làm chủ yếu bởi vật chất chứ không phải phản vật chất.

7. Có thể ấn định số phận tối hậu của vũ trụ

Định được khối lượng của quark đỉnh có thể giúp các nhà nghiên cứu làm rõ một trong hai kịch bản đáng sợ: vũ trụ có thể kết thúc trong 10 tỉ năm, hoặc người ta có thể làm ra vật chất từ hư vô. Nếu quark đỉnh nặng hơn kì vọng, thì năng lượng mang qua chân không của không gian có thể suy sụp. Nếu nó thấp hơn kì vọng, thì một kịch bản khó tưởng gọi là “bộ não Boltzmann” có thể chứng kiến những thực tể tự nhận thức hiện ra từ những tập hợp ngẫu nhiên của các nguyên tử.

Nguồn: LiveScience