Dữ liệu tiết lộ “cú bắn tung tóe” của quark-gluon plasma

Dữ liệu mới từ các cuộc va chạm hạt tại Máy gia tốc ion nặng tương đối tính (RHIC), một thiết bị ‘va chạm nguyên tử” tại phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven của Bộ Năng lượng Mỹ, tiết lộ việc nồi xúp nguyên sơ được tạo ra trong những va chạm hạt năng lượng cao ‘bắn tung tóe” sang ngang khi nó bị một luồng các hạt năng lượng cao đánh trúng.

Bằng chứng này có được từ đo đạc đầu tiên tại RHIC trong việc tái cấu trúc các luồng hạt được sinh ra trong những va chạm liên tiếp với các photon, các hạt ánh sáng. Các nhà khoa học đã từng dự đoán điều này bằng việc sử dụng các đo đạc luồng hạt tương quan đến photon để nghiên cứu vật chất được tạo ra từ những va chạm đó.

Phát hiện này, được miêu tả trong hai bài báo được xuất bản trên Physical Review Letters và Physical Review C, đem lại cái nhìn mới vào nồi xúp ban sơ đó, hay còn gọi là quark-gluon plasma (QGP) – và làm dấy lên những câu hỏi mới về các đặc trưng khác thường của nó.

“Việc đo lường những luồng hạt được tái cấu trúc đem lại cho chúng ta những cái nhìn độc đáo vào các phản hồi plasma tương tác mạnh khi các luồng hạt di chuyển qua đó”, theo Peter Jacobs, một nhà vật lý tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley của DOE và là một thành viên của Nhóm hợp tác STAR RHIC, nơi xuất bản cả hai bài báo trên. “Thay vì tập trung vào việc điều gì xảy ra với luồng tia đó, chúng tôi muốn nhìn ra nhìn xung quanh và xem luồng hạt muốn nói với chúng ta những gì về QGP”.

Món xúp Big Bang

Toàn bộ vũ trụ này được nhồi đầy QGP trong một phần nhỏ của một giây sau Big Bang, trước khi quark và gluon xây dựng thành những khối cơ bản của vật chất, trở nên gắn kết với nhau trong các proton và neutron – và cuối cùng là các hạt nhân nguyên tử. RHIC đã tạo ra được một dạng QGP thông qua việc gia tốc các hạt nhân của nguyên tử vàng gần tới gần tốc độ ánh sáng và cho chúng va chạm với nhau. Các va chạm năng lượng cao đó làm “tan chảy” các hạt nhân này, đem lại trạng thái tự do cho các khối cơ bản trong hạt nhân. Vì vậy các nhà khoa học có thể nghiên cứu về các quark và các gluon trong trạng thái giống như khi chúng tồn tại ở thuở bình minh của vũ trụ.

Đây là điều không dễ dàng. QGP được tạo ra tại RHIC trong khoảng thời gian nhỏ hơn một phần tỉ của một phần tỉ giây. Không còn đủ thời gian để đặt nó vào một kính hiển vi hoặc bắn phá nó bằng các tia X giống như cách mà các nhà khoa học nghiên cứu những hình thức khác của vật chất vẫn thường áp dụng. Nhưng may mắn là, các va chạm tạo ra QGP thi thoảng cũng làm bắn các quark hoặc gluon ra khỏi hạt nhân với mức năng lượng khổng lồ. Các hạt tán xạ năng lượng cao đó phân rã một cách nhanh chóng thành tầng tầng các hạt tương quan – các luồng tia – mang thông tin về plasma cho các máy dò của RHIC.

“Các quark và gluon tán xạ đến cùng với hạt nhân; chúng đều ở bên trong của vật chất”, Jacobs nói. “Chúng tôi dùng chúng như những chùm tia X để nghiên cứu về plasma”.

Kích hoạt photon và dò theo các luồng hạt

Khi nghiên cứu về các luồng tia tại RHIC, nhiều nhóm nghiên cứu đều tập trung vào một hiện tượng, đó là dập tắt luồng hạt, một sự loại trừ rõ ràng những luồng năng lượng đột sinh từ QGP. Ý tưởng này xuất phát từ việc các luồng hạt đang bị mất năng lượng thông qua những tương tác của chúng với QGP.

Những đo lường RHIC của hành vi dập tắt luồng hạt cho đến nay chủ yếu được tập trung vào các hạt có mức năng lượng cao nhất, bởi vì chúng dễ đo đạc nhất. Tuy nhiên, những hạt dẫn này chỉ đem lại thông tin giới hạn. Các kết quả mới từ STAR cấu trúc một chùm hạt tương quan rộng hơn tạo nên các luồng hạt, đem lại nhiều chi tiết hơn về việc QGP bị “kích thích” và sự phản hồi với luồng hạt – và nơi chúng mất mát năng lượng.

Lần đầu tiên, phân tích mới, bao gồm việc tái cấu trúc luồng hạt được tạo ra liên tiếp với các photon, được thực hiện.

“Do các photon không tương tác với QGP, năng lượng của chúng, được đo đạc bằng máy dò, đem lại một tiêu chuẩn để so sánh với năng lượng của các hạt đột sinh theo hướng ngược lại”, theo đồng tác giả Saskia Mioduszewski, một thành viên của nhóm STAR từ ĐH Texas A&M.

Mioduszewski đã tiên phong áp dụng kỹ thuật nhận diện photon trực tiếp với Ahmed Hamed, giờ đang làm việc tại ĐH Cairo American. Sau đó Nihar Sahoo, cũng từng làm postdoc tại đây và giờ làm việc tại Viện nghiên cứu giáo dục khoa học Tirupati Ấn Độ, và Derek Anderson, một học viên của Mioduszewski sắp gia nhập Trung tâm máy gia tốc quốc gia Thomas Jefferson (DOE ), cũng tham gia vào nỗ lực này.

Với các bài báo mới, Sahoo đề xuất kết hợp kỹ thuật phân tích photon này với phương pháp thống kê được Jacobs và Alex Schmah, giờ làm việc tại Trung tâm nghiên cứu Ion nặng GSI Helmholtz tại Đức, phát triển để có thể chọn ra được những tín hiệu mờ nhạt nhất của những luồn hạt bị mất năng lượng trên cái nền của hàng ngàn hạt khác cũng được tạo ra từ các va chạm ở RHIC.

“Bằng việc sử dụng thuật toán nhận diện photon đã được tinh chỉnh và các kỹ thuật tái cấu trúc các luồng hạt, chúng tôi đã có thể phát hiện ra những va chạm với một photon năng lượng cao và sau đó tái cấu trúc tất cả các luồng hạt kế tiếp với photon này”, theo Anderson, người thực hiện phân tích với Sahoo.

“Việc nhận diện các photon thật rắc rối”, Anderson cho biết thêm. “Chúng tôi chỉ muốn có các ‘photon trực tiếp’ – vốn là những photon được tạo ra một cách trực tiếp trong những va chạm cùng lúc như những tia năng lượng cao. Nhưng các  va chạm RHIC thường cũng tạo ra nhiều photon qua những quá trình khác. Hình dạng của tín hiệu mà máy dò STAR phát hiện được đã giúp chúng tôi nhận diện được các ứng viên photon trực tiếp. Sau đó, chúng tôi sử dụng các kỹ thuật thống kê để loại bỏ các photon gián tiếp, vì vậy chúng tôi có thể tái cấu trúc các luồng hạt được phát ra từ một cửa sổ góc cụ thể theo hướng ngược lại”.

Nhóm nghiên cứu đã tái cấu trúc luồng hạt với các kích thước ‘nón’ góc khác nhau – một số nhỏ hơn và một số lớn hơn. Việc mở rộng hình nón để tìm kiếm những hạt tương quan cho phép họ quan sát được những phản hồi của QGP với kích thích luông hạt theo một cách mới.

Những cú bắn sang ngang

Nhóm nghiên cứu đã tìm hiểu dữ liệu từ cả các va chạm proton-proton không tạo ra QGP, và các va chạm trực diện vàng – vàng được tạo ra trong nồi xúp ban sơ của vũ trụ. Ở mỗi dạng va chạm, họ lại tìm các luồng hạt ở những nón hẹp, nơi chỉ những hạt năng lượng cao nhất được quan sát, và nón rộng để nhận diện được tất cả các hạt tương quan trên ngoại biên của luồng hạt.

“Khi một luồng hạt đột sinh từ một va chạm proton-proton mà không hình thành QGP, có thể có nhiều hạt bên trong hình nón hẹp và ít hạt bên ngoài”, Sahoo nói. Đó là cơ sở mà các nhà nghiên cứu sử dụng để so sánh với các va chạm vàng – vàng tạo ra QGP.

“Nếu hạt tương tự xuyên qua QGP, nó phải là hạt ít năng lượng hơn trong hình nón hẹp. Nhưng do tất cả các tương tác ngoài của hạt trong luồng hạt với QGP, phải có nhiều hạt hơn trong hình nón rộng”, Sahoo cho biết thêm.

Đó chính xác là những gì các nhà khoa học muốn tìm. Quan sát hình nón rộng hơn và phân tích được tinh chỉnh cho phép họ chọn được những tín hiệu hạt được tạo ra thông qua những tương tác nối của các hạt trong luồng hạt với QGP. Việc thêm năng lượng của tất cả các hạt tương quan ngoại biên để tính đến mức năng lượng của luồng hạt dập tắt “bị mất”.

“Chúng tôi phát hiện ra năng lượng bên trong các luồng hạt được phân bố rộng hơn trong những va chạm tạo ra QGP so với những luồng hạt không tạo ra QGP”, Jacobs nói. “Nó giống như mọi thứ bị bắn tung tóe sang một bên vậy”.

Để so sánh, có thể nghĩ giống như việc cưỡi lên một cái xe đạp và đi trúng vào một vũng nước. Khi bạn đi qua vũng nước này, nước sẽ bị bắn tung lên và bạn sẽ phải đi chậm lại. Chiếc xe đạp này cũng tương tự như luồng hạt đi xuyên qua QGP, trao một số năng lượng cho những tương tác ngang với quark và gluon tự do của plasma.

“Trong cả hai trường hợp, năng lượng tản đi đâu đó; nó không bị ‘mất’ đi”, Jacobs nói. “Những gì bạn học được ở trường phổ thông vẫn còn hết sức đúng đắn; năng lượng được bảo toàn”.

Những câu hỏi mở

Các đo đạc tiết lộ rằng một hình nón với một góc mở 30 độ thực sự hiệu quả để tái tạo mức năng lượng luồng hạt ban đầu. Nó thiết lập một giới hạn lên khoảng cách mà kích thích QGP di chuyển. Nó cũng có thể mở ra gợi ý cho hiểu biết về độ nhớt của QGP, độ nhớt vẫn được miêu tả như một dòng chất lỏng gần như hoàn hảo với dòng chảy không ma sát.

Thêm vào đó, Mioduszewski cho biết, “để biết được đặc tính của việc mất năng lượng và phản hồi QGP, chúng ta cần hiểu về việc mất năng lượng phụ thuộc vào độ dài quãng đường như thế nào hoặc khoảng cách một luồng hạt di chuyển xuyên qua plasma, và cường độ của các tương tác của nó với plasma”.

Dữ liệu mà các nhà khoa học thu thập từ các dạng khác nhau của luồng hạt đem lại cho họ những cách rõ ràng hơn để khám phá những đặc tính còn tinh tế và khó nắm bắt hơn.

“Có nhiều loại đo đạc mới và chúng tôi đang làm việc cùng các cộng sự lý thuyết của chúng tôi để đặt tất cả các loại dữ liệu cùng nhau và xem là liệu có một bức tranh nhất quán không”, Mioduszewski nói.

Anh Vũ dịch từ Brookhaven National Laboratory

Nguồn: https://www.bnl.gov/newsroom/news.php?a=122311