Hướng tới việc tìm hạt nhân “lạ”
Bạn đã bao giờ tự hỏi mặt trời tạo ra năng lượng mà chúng tỏa ra hàng ngày như thế nào và cách các nguyên tố khác bên cạnh hydro được hình thành như thế nào trong vũ trụ của chúng ta? Có lẽ người ta biết đó là kết quả của các phản ứng tổng hợp hạt nhân, nơi bốn hạt nhân của hydro hợp nhất cùng nhau để tạo ra một hạt nhân helium.
Giáo sư Nilmani Mathur của Khoa Vật lý lý thuyết (TIFR). Nguồn: TIFR
Nhiều quá trình tổng hợp hạt nhân như thế có thể là do sự tồn tại của hoạt động này, trước tiên ở các deuteron bền, vốn được tạo ra từ một proton và một neutron. Với việc chứng minh điều này một cách sâu sắc hơn, một nghiên cứu cho thấy một deuteron bao gồm 6 hạt quark nhẹ. Thú vị hơn, phản ứng mạnh giữa các hạt quark, vốn đem đến sự bền vững deuteron, cho phép những kết hợp sáu hạt quark theo nhiều cách khác nhau, dẫn đến việc hình thành của nhiều hạt nhân như deuteron có thể xảy ra. Dẫu sao, các nhà nghiên cứu vẫn chưa thể quan sát được không nhiều hạt nhân như vậy, dẫu cho họ đã thực hiện rất nhiều những nghiên cứu về lý thuyết và tìm kiếm trong thực nghiệm.
Tất cả những điều này có thể thay đổi với một nghiên cứu đáng chú ý mới “Deuteron like heavy dibaryons from Lattice Quantum Chromodynamics” do các nhà vật lý của Viện nghiên cứu Khoa học cơ bản Tata (TIFR) xuất bản trên Physics Review Letters. Nghiên cứu này đã sử dụng việc tính toán mạng sắc động lực học lượng tử (lattice quantum chromodynamics QCD), lý thuyết cơ bản của các tương tác mạnh, một dự đoán được xác định một cách rõ ràng sự tồn tại của các hạt nhân như deuterton khác. Sử dụng cơ sở tính toán của Sáng kiến Lý thuyết Gauge Ấn Độ (ILGTI), giáo sư Nilmani Mathur và postdoc Parikshit Junnarkar tại Khoa Vật lý lý thuyết (TIFR) đã dự đoán một bộ các hạt nhân “lạ”, chưa có trong Bảng tuần hoàn. Các khối lượng của các hạt nhân lạ này đã được tính toán một cách chính xác.
Các hạt hạ nguyên tử mới này có thể được tạo ra cả sáu hạt quark nặng (quark đẹp và quark dưới) hoặc các quark nặng và quark lạ. Chúng bền trong quá trình phân rã điện từ mạnh nhưng – không như deuteron – chúng có thể phân rã qua những tương tác yếu. Thật đáng ngạc nhiên, họ đã thấy tính bền của các hạt nhân tăng lên khi chúng trở nên nặng hơn. Các dự đoán có thể hỗ trợ thêm quá trình khám phá các hạt hạ nguyên tử mới này tại các phòng thí nghiệm.
Điều này cũng mở ra sự có thể của sự tồn tại của nhiều hạt nhân lạ khác, vốn có thể được hình thành thông qua quá trình nóng chảy của các hạt baryon nặng, tương tự như sự hình thành của các hạt nhân của các nguyên tố trong Bảng tuần hoàn. Trong nhiều phản ứng hạt nhân, các hạt nhân như các deuteron có thể đóng vai trò tốt như các deuteron trong phản ứng tổng hợp hạt nhân. Sự hình thành của các hạt hạ nguyên tử mới cũng tăng khả năng về sự tương tự mức quark trong tổng hợp hạt nhân đã được thảo luận trong một công trình trên Nature [Nature 551, 89 (2017)]. Sự hình thành của một số trạng thái hạt thông qua phản ứng tổng hợp hạt nhân là kết quả của trạng thái giãn nở ở mức lớn tới 300 MeV/phản ứng – một khả năng thú vị cho việc tạo ra năng lượng trong tương lai.
Dự đoán về các hạt hạ nguyên tử mới, đặc biệt với nhiều hơn ba hạt quark, thông qua các tính toán những nguyên tắc đầu tiên đòi hỏi một sự kết hợp phức tạp giữa lý thuyết và tính toán hiệu năng cao. Nó không chỉ đòi hỏi một hiểu biết rất sâu sắc về các vấn đề lý thuyết trường lượng tử mà còn cả sự sẵn sàng của các cơ sở tính toán quy mô lớn. Trên thực tế một số cơ sở tính toán khoa học lớn trên thế giới đang được các nhà nghiên cứu về gauge mạng sử dụng, như những nhà nghiên cứu tại TIFR, những người đang cố gắng giải quyết vấn đề bí ẩn của các tương tác mạnh trong vũ trụ của chúng ta thông qua nghiên cứu của họ bên trong thế giới femto (ví dụ trong quy mô một phần triệu tỷ của một mét). Các phương pháp Mạng sắc động lực lượng tử có thể đóng vai trò cốt lõi để hiểu về vật chất trong các điều kiện nhiệt độ cao và đậm đặc tương tự như những vật chất trong những giai đoạn sớm của vũ trụ sau Big Bang.
Phương Thanh dịch
Nguồn: https://phys.org/news/2019-10-deuteron-like-heavy-dibaryonsa-exotic-nuclei.html
