Sự tồn tại của một dạng mới của vật chất gọi là tetraquark vừa nhận thêm sự hậu thuẫn từ một phép phân tích lại của một thí nghiệm đã ngáng chân các nhà vật lí hạt trong hai năm qua.
Năm 2008, các nhà nghiên cứu làm việc với thí nghiệm BELLE tại Phòng thí nghiệm KEK ở Nhật Bản đã khảo sát cách thức một trạng thái kích thích của meson "bottomonium" phân hủy và rất bất ngờ nhận thấy một mốt phân hủy đặc biệt xảy ra phổ biến hơn nhiều so với trông đợi.
 |
| Các hadron bình thường và hadron lạ được QCD cho phép. Một baryon bình thường được thể hiện với ba quark (q), còn một meson thường có một quark và một phản quark. (Ảnh: Zoe Matthews) |
Nay các nhà vật lí ở Đức và Pakistan đề xuất một lời giải thích khác thường – thay vì sản sinh ra bottomonium, thí nghiệm trên đã tạo ra một hạt mới chứa 4 quark. Nếu những tetraquark như vậy thật sự tồn tại, thì nó sẽ dẫn tới một mô hình quark mở rộng của những hạt kì lạ. Nó cũng sẽ cho các nhà vật lí một sự hiểu biết sâu sắc hơn về sắc động lực học lượng tử (QCD) – lí thuyết thuộc Mô hình Chuẩn của các quark và lực mạnh liên kết chúng với nhau.
Vào những năm 1960, các nhà vật lí đã nhận ra rằng các hadron - proton, neutron, meson và vân vân – có thể được mô tả theo các quark thành phần của chúng. Các meson hình thành một trạng thái liên kết gồm một cặp quark và phản quark, còn các baryon (bao gồm cả proton và neutron) cấu tạo gồm ba quark hoặc ba phản quark. Mô hình quark đã mang lại cho nhà tiên phong Murray Gell-Mann của nó giải thưởng Nobel vật lí 1969 và đã đi đến tiên đoán sự tồn tại và tính chất của nhiều hadron khác nhau.
Các trạng thái kích thích kì lạ
Tuy nhiên, QCD còn cho phép tồn tại những trạng thái liên kết kì lạ khác. Một trong số này là tetraquark, gồm hai quark và hai phản quark. Trong hàng thập kỉ, các nhà vật lí hạt đã hết sức hiếu kì trước sự tồn tại của các tetraquark, và trong những năm gần đây, các thí nghiệm đang ngày một trở nên đủ nhạy để nhìn thấy những dấu vết của chúng.
Nếu các tetraquark tồn tại, thì có một cơ hội tốt là chúng sẽ được nhìn thấy bởi các nhà vật lí đang nghiên cứu tại các máy va chạm electron-positron tại KEK ở Nhật Bản và SLAC ở California. Cả hai thiết bị có thể được điều khiển để sản sinh ra các trạng thái kích thích của những meson “quarkonia nặng” như bottomonium, cấu tạo từ các quark bottom (đáy) và phản quark bottom. Cả hai thí nghiệm BELLE và BaBar tại SLAC đều được thiết kế để đo các phân hủy của những hạt có thời gian sống ngắn này và tìm kiếm những sai lệch nhỏ khỏi những tiên đoán lí thuyết. Cho đến nay, cả hai thí nghiệm đã ghi nhận được một vài bất thường đáng tin cậy.
Các kết quả bottomonium khó giải thích
Năm 2008, các nhà vật lí BELLE đang nghiên cứu sự phân hủy của trạng thái kích thích cao Y(5S) của bottomonium. Theo lí thuyết QCD, một trạng thái kích thích của Y sẽ hiếm khi phân hủy thành một trong những trạng thái kém kích thích hơn của nó và một cặp meson pi (pion) tích điện. Tuy nhiên, khi BELLE đo được kênh phân hủy này đối với Y(5S), thì tốc độ quan sát thấy lại lớn hơn nhiều bậc độ lớn so với trông đợi.
 |
| Giản đồ của meson tetraquark Yb(10890) gồm các quark up (u) và bottom (b), và những phản quark tương ứng của chúng. (Ảnh: Zoe Matthews) |
Một lời giải thích có khả năng là các va chạm electron–positron được điều khiển để tạo ra Y(5S) có lẽ thật sự đang tạo ra một hạt khác nữa – một meson tetraquark Yb(10890). Ahmed Ali và Christian Hambrock tại chương trình hợp tác DESY và Jamil Aslam, thuộc trường đại học Quaid-i-Azam ở Pakistan, đang nghiên cứu giả thuyết này.
Ali giải thích: “Nếu chúng tôi giả sử rằng các tetraquark tồn tại, thì chúng tôi có thể xem những khối lượng nào là có thể, và chúng sẽ phân hủy như thế nào. Chúng tôi nhận thấy Yb(10890), một meson tetraquark cấu tạo gồm một “diquark” (cặp quark-phản quark) mùi up và một diquark mùi bottom, có khối lượng rất gần với Y(5S). Nó có thể phân hủy thành Y(2S) và một cặp pion theo vài cách, và nếu tính toán theo những cách này, chúng tôi nhận thấy có thể tái dựng lại dữ liệu trên”.
Mặc dù không kết luận, nhưng bằng chứng này ủng hộ thêm cho khả năng rằng các tetraquark tồn tại. “Nếu được xác thực là đúng”, Ali nói, “thì đây là một dạng nhánh mới của vật chất”.
Bí ẩn đã được giải?
Vậy có phải bí ẩn đã có lời giải rồi hay không? Chưa chắc lắm, theo Hambrock: “Đây là một dấu hiệu chỉ dẫn, chứ không phải một bằng chứng. Chỉ từ mỗi kết quả này, chúng ta không thể chắc chắn được hai diquark trên có thật sự ở trong một trạng thái liên kết hay không”. Cũng có những ý kiến khác giải thích vì sao tốc độ quan sát thấy lại tăng lên, như đồng phát ngôn viên BELLE, Tom Browder thuộc trường đại học Hawaii, trình bày. “Có lẽ một số cơ chế khác [trong tương tác của Y(5S)] có thể giải thích được kết quả trên. Chúng tôi là những nhà thực nghiệm và luôn phải để cho đầu óc thông thoáng”.
Nếu Yb(10890) là nguyên do của sự bất thường trên, thì còn có một manh mối khác đang chờ được khám phá, theo Ali cho biết. “Nếu chúng tôi đúng, thì thật ra nó là một sự kết hợp của hai tetraquark vừa vặn dễ phân biệt, hoặc là cấu tạo gồm một diquark down và một diquark bottom, với khối lượng gần như giống hệt”, ông giải thích. Với dữ liệu bổ sung trong lần chạy ngắn ngày vào tháng 5 năm nay, các nhà vật lí BELLE sẽ thử suy luận xem tiên đoán của Ali có đúng hay không.
Nghiên cứu được công bố trên tờ Phys. Rev. Lett. 104 162001.
Zoe Matthews (physicsworld.com)
