Hadron bao gồm proton và neutron quen thuộc cấu tạo nên các nguyên tử của chúng ta, nhưng số lượng chúng còn đông hơn thế nhiều.
Vào đầu thế kỉ 20, các nhà vật lí đang cố gắng tìm kiếm nguồn gốc của một tiếng ồn bức xạ mức thấp hình như hiện diện mọi lúc, mọi nơi trên khắp thế giới. Lí thuyết thịnh hành khi ấy cho rằng toàn bộ tiếng ồn này phát sinh từ chính Trái đất.
Tuy nhiên, điều đó nhanh chóng thay đổi khi nhà vật lí Thụy Sĩ Albert Gockel sử dụng một khí cầu không khí nóng thực hiện những phép đo bức xạ ở cao trên mực nước biển. Trước sự bất ngờ của ông, bức xạ thật sự tăng lên theo độ cao. Hình như thứ năng lượng kì lạ, có mặt nơi nơi này đang đến từ phía trên hơn là từ bên dưới. Nguồn phát ư? Các hạt năng lượng cao từ không gian đến, gọi là tia vũ trụ.
Để phát hiện những hạt này, các nhà vật lí bắt đầu vươn lên trời cao trong khí cầu và chiến cơ cải tạo; trèo lên những sườn núi cao hiểm trở; và men theo kẽ hở trong các sông băng trên cao. Họ mang theo người các buồng mây, những bình trong suốt chứa đầy hơi nước hoặc hơi cồn bão hòa.
Khi một tia vũ trụ va chạm với một nguyên tử trong buồng mây, một cơn mưa hạt hạ nguyên tử nhỏ hơn tỏa ra theo mọi hướng. Những hạt tích điện này làm ion hóa các phân tử hơi, khiến chúng trở nên khả kiến dưới dạng những làn ngưng tụ mỏng.
Sử dụng buồng mây – và sau nay là các detector chứa đầy hydrogen lỏng – các nhà vật lí bắt đầu nhận ra rằng có nhiều hạt hơn rất nhiều so với ban đầu họ nghi ngờ.
Họ khám phá muon, pion, kaon và hạt lambda. Sau đó, bắt đầu vào thập niên 1930 khi những máy gia tốc hạt đầu tiên bắt đầu hoạt động, các nhà vật lí cảm thấy đắm chìm với nhiều hạt hạ nguyên tử mới hơn nữa.
“Có quá nhiều hạt như vậy,” theo lời Brian Shuve, một nhà vật lí tại trường Harvet Mudd, “đến mức hầu như không thể nói chúng đều là hạt sơ cấp.”
Linh cảm đó hóa ra là đúng. Phần lớn các hạt mới ấy cuối cùng được phân loại là “hadron”, những hạt phức được cấu tạo bởi những thành phần còn nhỏ hơn nữa gọi là quark.
Các hadron không chỉ bao gồm những thành viên quen thuộc như proton và neutron cấu tạo nên hạt nhân nguyên tử, mà là một nhóm lớn hơn thế nhiều. Qua hàng thập niên nghiên cứu tỉ mỉ, ngày nay chúng ta biết rằng có hơn 100 hadron khác nhau. Bằng cách nghiên cứu chúng, các nhà vật lí đã có thể vẽ nên một bức tranh sáng tỏ hơn về bốn lực cơ bản giải thích vũ trụ của chúng ta.
Bảng tuần hoàn hadron
Có những khó khăn chực chờ cho một hạt khối lượng lớn. Nói chung, một hạt khối lượng càng lớn thì nó phân hủy càng nhanh, giải phóng năng lượng của nó khi nó vỡ ra thành những hạt khối lượng nhỏ hơn.
Biết vậy, các nhà vật lí đã vật vã bởi hành trạng của một số hạt mới mà họ chứng kiến. Một vài trong số chúng, ví dụ các kaon, tồn tại lâu hơn trông đợi, dựa trên khối lượng của chúng.
Vào năm 1952, các nhà vật lí Murray Gell-Mann, Abraham Pais và Kazuhiko Nishijima đã đưa ra khái niệm ‘tính lạ’ để mô tả tính chất này.
Vào năm 1961, Gell-Mann và nhà vật lí Yuval Ne’eman phát hiện rằng, bằng cách lập đồ thị tính lạ của một hạt theo một trục và isospin của nó – một số lượng tử liên quan đến tương tác của hạt với lực mạnh – theo trục kia, họ có thể nhóm chúng thành những dạng hình học chính xác.
Gell-Mann gọi sơ đồ tổ chức này là “Bát Đạo”, một thuật ngữ ông vay mượn từ con đường giác ngộ của Phật giáo. Nó cho phép ông tạo ra một kiểu bảng tuần hoàn cho các hadron.
Y hệt như bảng tuần hoàn các nguyên tố của nhà hóa học Dmitri Mendeleev ban đầu có các ô trống cho phép ông dự đoán sự tồn tại của những nguyên tố chưa được khám phá, Bát Đạo cũng chứa những ô trống đưa các nhà vật lí đến khám phá những hạt mới.
Trường hợp quark
Trong khi phát triển Bát Đạo, Gell-Mann đã phác thảo một câu đố với một thiết kế tinh xảo. Ông biết đại khái những mảnh còn thiếu nằm ở đâu, nhưng ông không thể lập tức hiểu ra ý nghĩa của mô hình.
Gell-Mann và nhà vật lí George Zweig độc lập nhau nhận ra cách giải thích sự liên hệ giữa các hadron nếu chúng thật sự được cấu tạo bởi những hạt còn nhỏ hơn nữa. Gell-Mann đặt tên cho những hạt sơ cấp trên lí thuyết này một cách đồng bóng là “quark”, còn Zweig gọi chúng là “ace”.
Thế nhưng có hai vấn đề với lí thuyết này.
Thứ nhất, trong các thí nghiệm của họ các nhà vật lí chưa từng phát hiện bất kì thứ gì có liên hệ sâu xa với quark. Thứ hai, và đúng là thảm khốc: Mãi cho đến khi ấy, điện tích của tất cả những hạt đã biết đều xuất hiện ở dạng số nguyên (tức là 1, -1, 0). Để cho lí thuyết về quark hay ace hoạt động được, chúng phải có điện tích phân số.
Điều này không an yên đối với cộng đồng vật lí học chính thống, với chính Gell-Mann cũng thế. Ông kết thúc bài báo phác họa các tính chất như dự đoán của quark bằng cách yêu cầu các nhà thực nghiệm chứng minh ông đã sai, “Việc tìm kiếm các quark bền… sẽ giúp cam đoan lần nữa với chúng ta về sự phi tồn tại của các quark thật.”
Các nhà thực nghiệm hưởng ứng lời yêu cầu này trong mấy năm trời nhưng không gặp may. Nhưng các nhà vật lí vốn kiên trì, và một loạt thí nghiệm được thực hiện vào đầu thập niên 1970 tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kì – khi ấy gọi tên là Trung tâm Máy gia tốc Thẳng Stanford – cuối cùng đã triệu tập được bằng chứng cho sự tồn tại của những hạt sơ cấp này.
Gell-Mann và Zweig được bào chữa (mặc dù tên gọi của Gell-Mann, “quark”, thắng cuộc), và các nhà vật lí đã có một mô hình mới để tìm hiểu vương quốc hạ nguyên tử.
Ban đầu các nhà nghiên cứu làm việc dưới giả định rằng có ba quark, mặc dù ngày nay chúng ta biết có ít nhất sáu quark, gọi là lên (up), xuống (down), đỉnh (top), đáy (bottom), duyên (charm) và lạ (strange).
Phần lớn hadron được cấu tạo bởi hai hoặc ba quark.
Những hadron được làm từ ba quark – như proton và neutron – được gọi là baryon. (Proton chứa hai quark lên và một quark xuống, còn neutron có hai quark xuống và một quark lên.)
Những hadron được làm từ hai quark được gọi là meson. Những hạt này có chút lạ hơn; một trong hai quark của chúng luôn là một hạt phản vật chất. Chẳng hạn, pion có thể mang điện dương, âm hoặc trung hòa. Pion dương chứa một quark lên và một phản quark xuống được hút lại với nhau trong tích tắc trong một vũ điệu tinh xảo trước khi phân hủy thành một dạng vật chất bền hơn.
Từng chút một, các nhà vật lí hoặc là phát hiện trực tiếp hoặc là suy luận ra sự tồn tại của hơn 100 hadron khác nhau, trong đó có một vài biến thế gồm bốn hoặc thậm chí năm hạt quark.
Một hội không bền
Nếu có quá nhiều loại hadron như thế trong vũ trụ, vậy tại sao proton và neutron dường như là hai loại duy nhất cấu tạo nên vật chất khả kiến? Để trả lời câu hỏi này, chúng ta phải trở lại với câu hỏi mức bền vững.
Mỗi hạt trong sáu loại quark có khối lượng của riêng nó, biến thiên từ quark nhẹ lên và xuống, mỗi hạt có khối lượng chưa tới một phần trăm khối lượng proton, cho đến quark đỉnh có khối lượng gấp 175 lần khối lượng proton. Để hình dung, mức chênh lệch giữa khối lượng của quark lên và quark đỉnh đại khái bằng mức chênh lệch trọng lượng giữa một quả bóng tennis và một con voi.
Vì proton được cấu tạo bởi những quark cực kì nhỏ, nên bạn có thể hỏi vậy proton lấy phần lớn khối lượng của nó từ đâu. Không chỉ mình bạn hỏi thế.
“Phần lớn khối lượng của một hadron thật ra đến từ năng lượng của các gluon liên kết các quark với nhau,” phát biểu của Cesar Luis Da Silva, một nhà vật lí tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos. “Còn chính xác làm thế nào năng lượng của các gluon phiên dịch thành khối lượng của hadron thì đó là một câu hỏi mà các nhà vật lí vẫn đang cố gắng trả lời.”
Những hadron được làm bằng những quark nặng hơn có khuynh hướng không bền do năng lượng dư của chúng và do đó chúng chỉ tồn tại trong khoảnh khắc rồi phân hủy thành những hạt nhỏ hơn. Còn tốc độ mà các hadron phân hủy bị chi phối bởi lực mà chúng tương tác.
“Pion trung hòa phân hủy nhanh gấp 300 triệu lần so với pion tích điện, mặc dù chúng có cùng khối lượng,” Da Silva nói. “Đó là vì pion trung hòa phân hủy thông qua tương tác điện từ, còn pion tích điện phân hủy thông qua lực yếu.”
Proton và neutron, được làm bằng những quark nhẹ nhất, có khuynh hướng tồn tại lâu. Nhưng ngay cả những hạt ấy cũng không an toàn trước sự tàn phá của thời gian, theo Dmitri Denisov, giám đốc lab Vật lí Năng lượng Cao thuộc Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven. “Neutron trong hạt nhân nguyên tử có thể sống trong một thời gian khá dài – lên tới hàng tỉ năm – nhưng ngay khi chúng thoát khỏi hạt nhân, chúng phân hủy trong khoảng 15 phút,” ông nói.
Chưa ai từng quan sát thấy một phân hủy proton, nhưng điều đó chỉ có thể là do chúng vẫn tương đối bền trong một thời gian dài như thế. Có khả năng trong tương lai xa, rất xa, toàn bộ proton sẽ phân hủy thành những hình thức khác của vật chất và năng lượng.
Những kết hợp mới
Khi các máy gia tốc hạt mới hơn khai thác những năng lượng cao hơn tiền thân của chúng, các nhà vật lí có thể tạo ra những hạt càng mới lạ hơn. Đây là nguyên liệu cho các nhà nghiên cứu tại thí nghiệm LHCb tại Máy Va chạm Hạt nặng Lớn, Denisov nói.
“LHC – do có năng lượng cao như thế – có thể tạo ra những hạt chứa nhiều hơn hai hoặc ba quark,” ông nói. “Một số hạt có thể có bốn, gọi là tetraquark, hoặc năm – pentaquark.”
“Giống như đa số hadron khác, những hạt này là không bền và chỉ tồn tại trong vài phần tỉ của một giây,” Denisov nói. “Chỉ có một nhúm hạt được phát hiện, và một số đặc tính của chúng vẫn đang thách đố.”
Các hadron vẫn đang đưa chúng ta tiến đến ranh giới của vật lí học đã biết và xa hơn nữa. Y hệt như khám phá làm chao đảo cộng đồng về những hadron mới trong buồng mây đã dẫn tới lí thuyết quark, những tetra- và pentaquark mới có thể đưa chúng ta đến hiểu biết sâu sắc hơn nữa về cách vũ trụ vận hành.
Nguồn: Symmetry Magazine
