Tiết diện va chạm là gì?

Tiết diện va chạm cho các nhà vật lí biết khả năng các hạt tương tác với nhau theo một cách nhất định.

Hãy tưởng tượng hai quả billiard đang lăn về phía nhau. Khả năng xảy ra va chạm phụ thuộc vào các khái niệm dễ nắm bắt: Chúng to bao nhiêu? Chúng hướng về nhau chính xác bao nhiêu?

Khi bạn bắt đầu nói về khả năng các hạt va chạm nhau, mọi thứ dần phức tạp lên. Đó là lí do các nhà vật lí sử dụng thuật ngữ “tiết diện va chạm”.

Không giống các vật rắn, bản thân các hạt sơ cấp hành xử giống như các sóng xác suất tí hon.

Và các tương tác của chúng không bị hạn chế với một cú va đập vật chất. Các hạt có thể tương tác từ xa, chẳng hạn, thông qua lực điện từ hay lực hấp dẫn. Một số hạt, ví dụ các neutrino, chỉ thi thoảng tương tác qua lực yếu. Bạn có thể hình dung chúng là ảnh nổi ba chiều của những quả billiard thỉnh thoảng hiện thân sang trạng thái rắn.

Trong vật lí học, một tiết diện va chạm mô tả khả năng hai hạt tương tác dưới những điều kiện nhất định. Các điều kiện đó bao gồm, chẳng hạn, số lượng hạt trong chùm hạt, góc mà chúng đập vào bia, và bia được làm bằng gì.

“Các tiết diện va chạm liên hệ lí thuyết với thực tại,” phát biểu của Gerardo Herrera, một nhà nghiên cứu tại Trung tâm Nghiên cứu và Nghiên cứu Cao cấp thuộc Viện Bách khoa Quốc gia ở Mexico City, một cộng tác viên làm việc với thí nghiệm ALICE tại Máy Va chạm Hadron Lớn. “Chúng cung cấp một bức tranh về các tính chất cơ bản của các hạt. Đó là ích lợi lớn nhất của chúng.”

Tiết diện va chạm gồm nhiều biến thể. Chúng có thể giúp mô tả cái xảy ra khi một hạt va chạm với một hạt nhân. Trong các phản ứng đàn hồi, các hạt bật ra khỏi nhau song vẫn giữ nguyên dạng thức của chúng, giống như hai quả billiard bắn thia lia. Trogn các phản ứng không đàn hồi, một hoặc nhiều hạt bị vỡ ra, giống như một quả biliard bị ăn đạn. Trong trạng thái cộng hưởng, các hạt ảo phù du xuất hiện.

Những phép đo như vậy về một hoặc nhiều mặt của tương tác được gọi là các tiết diện va chạm riêng phần, còn tổng của mọi phản ứng này cộng lại được gọi là tiết diện va chạm toàn phần.

Các nhà vật lí biểu diễn tiết diện va chạm trong các phương trình bằng chữ cái Hi Lạp sigma (s). Nhưng một khi chúng đã được đo trong các va chạm thực tế, thì dữ liệu của chúng có thể được hình dung trong những hình ảnh như thế này:

Đồ thị này trích từ một bài báo về các tương tác giữa neutrino và hạt nhân nguyên tử. Trục thẳng đứng biểu diễn xác suất của những phản ứng khác nhau (đo theo centi mét bình phương trên giga-electronvolt), và trục nằm ngang biểu diễn năng lượng của các neutrino đến (đo theo giga-electronvolt). Electron-volt là một số đo năng lượng dựa trên lượng năng lượng cần thiết mà mỗi electron thu được sau khi được gia tốc bởi 1 volt điện.

Hình ảnh trên cho chúng ta biết rằng, chẳng hạn, ở năng lượng 10 GeV kết quả có khả năng nhất sẽ là một sự tán xạ phi đàn hồi sâu (đường màu xanh lục), sau đó là một trạng thái cộng hưởng (đường màu đỏ), và cuối cùng là một sự kiện giả-đàn hồi (đường màu xanh lam). Đường cong màu đen biểu diễn tiết diện tán xạ toàn phần. Các vạch sai số (các đường mảnh kéo ngang và dựng đứng) cho biết độ chuẩn xác theo ước tính của mỗi số đo.

“Cái bạn nhìn thấy ở hình ảnh này là những nỗ lực nhằm tìm ra một cách chung để biểu diễn các kết quả thực nghiệm phức tạp. Đồ thị này cho thấy cách chúng ta phân chia các sự kiện chúng ta tìm thấy trong các detector của mình,” phát biểu của Jorge Morfin, một nhà khoa học thâm niên tại Fermilab và một trong các tác giả chính của bài báo trên.

Tiết diện va chạm được sử dụng để trao đổi kết quả giữa các nhà nghiên cứu có chung mối bận tâm, Morfin nói. Tiết diện va chạm là một cách để so sánh dữ liệu thu được từ các phòng thí nghiệm sử dụng các kĩ thuật đo và các bia hạt nhân khác nhau, ví dụ NOMAD (CERN), SciBooNE (Fermilab) và T2K (Nhật Bản).

Các nhà khoa học nghiên cứu thiên văn vật lí, sắc động lực học lượng tử, hóa lí và cả khoa học nano nữa, đều sử dụng các loại đồ thị này nhằm tìm hiểu cách các hạt phân hủy, hấp thụ năng lượng và tương tác với nhau.

“Chúng đem lại nhiều kết nối với những lĩnh vực khoa học khác nhau và nghiên cứu hiện đang diễn ra,” phát biểu của Tom Abel, một nhà vũ trụ học điện toán tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC và Đại học Stanford.

Trong cuộc săn tìm vật chất tối, chẳng hạn, các nhà nghiên cứu khảo sát xem liệu các hạt có tương tác theo cách các nhà lí thuyết dự đoán hay không.

“Chúng tôi đang tìm kiếm các tương tác giữa các hạt vật chất tối và hạt nhân nặng, hoặc các hạt vật chất tối tương tác với nhau,” Abel nói. “Toàn bộ những cái này đều được biểu diễn theo tiết diện va chạm.”

Nếu họ nhìn thấy những tương tác khác với họ kì vọng, thì có khả năng nó là một dấu hiệu của sự ảnh hưởng của cái gì đó chưa được nhìn thấy – ví như vật chất tối.

Trong một thế giới mà xác suất và sự bất định trị vì, Herrera lưu ý rằng các khái niệm trong cơ học lượng tử có thể khó nắm bắt. “Thế nhưng tiết diện va chạm là một yếu tố rất rõ ràng,” ông nói, “và là một trong những số đo quan trọng nhất trong vật lí năng lượng cao.”

Nguồn: Symmetry Magazine

Bài trước | Bài kế tiếp