Cách tiếp cận mới sáp nhập những cơ bản lý thuyết với nghiên cứu thực nghiệm về cấu trúc proton
Các proton và những hạt hạ nguyên tử chịu sự chi phối của lực hạt nhân mạnh có một cấu trúc phức tạp bao gồm những thành phần thậm chí còn cơ bản hơn là các quark và các gluon. Những quark và gluon này gắn kết với nhau dưới sự ảnh hưởng của sắc động lực học lượng tử (QCD).
Sắc động lực học lượng tử là lý thuyết về tương tác mạnh của các hạt quark và vai trò của đối xứng màu.
Tuy nhiên, cơ chế dẫn đến sự kết hợp của các quark và các gluon để hình thành các hạt mà chúng ta thấy trong tự nhiên lại rất bí ẩn và chưa được hiểu biết nhiều lắm. Ví dụ, các quark và các gluon ảo xuất hiện và biến mất trong bức tranh hiện nay của chúng ta về động lực của proton. Vì vậy, các quark và các gluon nào trên thực tế có mặt trong một proton là một câu hỏi khó có thể trả lời.
Nhiều công trình thực nghiệm liên quan đến việc tách cấu trúc quark và gluon của proton xuất hiện trên các máy gia tốc hạt như Cơ sở máy gia tốc quốc gia Thomas Jefferson và máy gia tốc ion nặng tương đối tính, và máy gia tốc sẽ có trong tương lai tại Máy gia tốc ion electron.
Một phần lớn nghiên cứu về sắc động lực học lượng tử đều được hướng về mục tiêu giải quyết những câu hỏi cơ bản được mở tại tâm điểm của vấn đề: sắc động lực học lượng tử đã vận hành như thế nao và cách các lý thuyết cơ học lượng tử có thể sáp nhập vào lý thuyết hấp dẫn như thế nào.
Tiến trình hiện nay trong sắc động lực học lượng tử về mặt lý thuyết đã mở ra con đường kết nối những câu hỏi về cấu trúc của các hạt như proton với việc đo đạc sự va chạm với những hạt năng lượng cao.
Khi các nhà lý thuyết tạo ra những ý tưởng mới về sắc động lực học lượng tử, các nhà nghiên cứu khác lên kế hoạch thực nghiệm để kiểm tra các ý tưởng đó. Các thử nghiệm này bao gồm việc cho va chạm các hạt như các electron và các proton tại những mức năng lượng cao và kiểm tra kết quả được tạo ra.
Bằng việc ngoại suy trở lại theo thời gian, các nhà vật lý sẽ sử dụng những tàn tích của các va chạm để suy ra thông tin về cấu trúc của các hạt ban đầu.
Tuy nhiên những phức tạp lý thuyết tương tự thúc đẩy những nghiên cứu này đã để lại một câu hỏi chính chưa được giải quyết, đó là các nhà khoa học làm thế nào kết hợp vật lý của các va chạm cụ thể với vật lý của cấu trúc nội tại của chính các hạt?
Giờ một công trình được xuất bản trên tạp chí Physical Review D đã đem đến một hộp công cụ cần thiết để giải chính câu hỏi này trong khi vẫn chứa đựng những tinh tế lý thuyết đó.
Một phần lớn nghiên cứu hiện tại về cấu trúc của proton, cả về lý thuyết và thực nghiệm, bao gồm việc nhận diện, tách và phân tích các phân bố trạng thái gắn kết của các quark và các gluon trong proton, lập bản đồ chuyển động của chúng và hiểu cách sự liên kết này với toàn thể các đặc trưng được quan sát của proton như spin và khối lượng của nó.
Trong quá khứ, các nhà nghiên cứu tìm thấy những thiếu nhất quán trong cách các nhà vật lý kết hợp lý thuyết sắc động lực học lượng tử cơ bản với nghiên cứu dữ liệu. Những kết quả lý thuyết mới đem lại một công thức rõ ràng và thúc đẩy niềm tin về dữ liệu được rút ra từ những thực nghiệm tương lai có thể được diễn dịch một cách tin cậy.
Anh Vũ dịch từ US Department of Energy
