Trong hội thảo quốc tế về vật lý năng lượng cao (ICHEP 2020), Nhóm hợp tác ATLAS đã trình bày về quan sát đầu tiên trước sự sáp nhập của photon tạo ra những cặp W bosons, các hạt cơ bản mang lực tương tác yếu, một trong bốn lực cơ bản của vũ trụ.
Kết quả này mở ra một con đường mới cho việc sử dụng Máy gia tốc hạt lớn LHC. Việc xác nhận này là một trong những dự đoán chính của thuyết tương tác điện yếu – những hạt mang lực có thể tương tác với chính nó – và đem lại những cách mới để chứng minh nó.
Theo các luật của thuyết điện tử học cổ điển, hai chùm tia ánh sáng giao nhau có thể không bị chệch hướng, mà chỉ hấp thụ hay làm gián đoạn nhau. Tuy vậy, các hiệu ứng sắc động lực học lượng tử (QED), lý thuyết giải thích cách ánh sáng và vật chất tương tác, cho phép các tương tác diễn ra giữa các photon.
Quả vậy, đây không phải là lần đầu tiên các photon tương tác tại những mức năng lượng cao được nghiên cứu tại LHC. Ví dụ, “tán xạ ánh sáng với ánh sáng”, nơi một cặp photon tương tác với nhau để sinh ra một cặp photon khác, là một trong những dự đoán sớm nhất của QED. Bằng chứng trực tiếp đầu iên của tán xạ ánh sáng với ánh sáng từng được Nhóm hợp tác ATLAS báo cáo năm 2017, khai thác những từ trường điện từ cực mạnh xung quanh các ion chì trong các cuộc va chạm chì – chì năng lượng cao. Trong năm 2019 và 2020, ATLAS còn triển khai nghiên cứu thêm quá trình này bằng việc tập trung vào đo đạc các đặc tính của nó.
Kết quả mới được họ báo cáo tại hội nghị cho thấy nó rất nhạy với hiện tượng hiếm gặp khác trong đó, hai photon tương tác để tạo ra hai hạt W bosons có điện tích trái dấu (giữa chúng) tương tác của vật mang lực. Các giả photon từ các chùm tia proton phân tán sang nhau để tạo ra một cặp W bosons. Một nghiên cứu ban đầu về hiện tượng này từng được ATLAS và CMS báo cáo vào năm 2016, từ dữ liệu ghi nhận được ở đợt vận hành LHC Run 1, nhưng cần có một bộ dữ liệu lớn hơn để quan sát nó một cách rõ ràng.
Quan sát này đã thu được một bằng chứng thống kê có ý nghĩa về những lệch chuẩn, tương ứng với khả năng là do biến động thống kê. Các nhà vật lý của ATLAS đã sử dụng một bộ dữ liệu lớn hơn một cách đáng kể có được từ đợt vận hành LHC Run 2, bộ dữ liệu bốn năm tại LHC đã kết thúc vào năm 2018, và phát triển một phương pháp phân tích tùy biến.
Karl Jakobs, người phát ngôn của Nhóm hợp tác ATLAS
Bởi vì bản chất của quá trình tương tác, mỗi hạt có đường đi duy nhất có thể được nhìn thấy trong máy dò trung tâm là các sản phẩm của quá trình phân rã của hai hạt W bosons, một điện tích và một muon với điện tích trái dấu. Dù các cặp W bosons có thể được tạo ra một cách trực tiếp từ những tương tác giữa các hạt quark và gluon trong những va chạm proton thường xuyên hơn là các tương tác photon–photon nhưng lại tăng thêm những con đường từ các quá trình tương tác mạnh. Điều đó có nghĩa là các nhà vật lý ATLAS phải cẩn thận để khỏi rối trong những đường va chạm để có thể quan sát được hiện tượng hiếm gặp đó.
“Quan sát này mở ra một khía cạnh mới của khám phá trong thực nghiệm tại LHC sử dụng các photon trong trạng thái ban đầu”, Karl Jakobs, người phát ngôn của Nhóm hợp tác ATLAS nói. “Đây là điều độc nhất vô nhị vì chỉ có những cặp tham gia vào các vật mang lực tương tác điện yếu trong môi trường tương tác mạnh chiếm ưu thế của LHC. Với các bộ dữ liệu lớn hơn trong tương lai có thể được sử dụng để chứng minh bằng cách không bị nhiễu cấu trúc đo điện yếu và có thể dẫn đến những đóng góp của lĩnh vực vật lý mới”.
Thêm vào đó, kết quả mới xác nhận một trong những dự đoán chính của thuyết tương tác điện yếu bên cạnh tương tác với các hạt vật chất thông thường, các hạt mang lực vẫn biết là các gauge boson – các hạt W boson, Z boson và photon – đều đang tương tác với nhau. Các va chạm photon sẽ đem lại một cách mới để kiểm tra Mô hình chuẩn và chứng minh lĩnh vực vật lý mới, vốn cần thiết để hiểu sâu sắc hơn về vũ trụ này.
Thanh Phương dịch
Nguồn: https://phys.org/news/2020-08-atlas-photon-collisions-weak-force-carriers.html
