Lần đầu tiên dò được các hạt ‘X’ lạ trong quark-gluon plasma

Trong những phần triệu giây đầu tiên sau Big Bang, vũ trụ là một plasma của quark và gluon với nhiệt độ lên tới hàng nghìn tỉ độ - các hạt cơ bản kết hợp lại với nhau theo những tổ hợp không thể đếm được trước khi trở nên lạnh đi và hình thành những dạng bền vững hơn để tạo ra các neutron và proton của vật chất thông thường.

Trong sự hỗn độn trước khi lạnh đi, một phần các hạt quark và gluon đó va chạm một cách ngẫu nhiên để hình thành các hạt ‘X’ có thời gian sống ngắn – người ta đặt tên cho nó như vậy bởi những cấu trúc bí ẩn của nó. Ngày nay, các hạt X vô cùng hiếm hoi, dẫu các nhà vật lý nghĩ rằng về lý thuyết thì có thể tạo ra chúng trong những máy gia tốc hạt thông qua sự liên kết các hạt quark, nơi các va chạm năng lượng cao có thể tạo ra các quark –gluon plasma tương tự trong vũ trụ sớm.

Hiện tại, các nhà vật lý tại Phòng thí nghiệm Khoa học hạt nhân ở MIT và nhiều nơi khác đã tìm thấy bằng chứng về các hạt X trong quark-gluon plasma được tạo ra trong Máy gia tốc hạt lớn (LHC) tại CERN.

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng các kỹ thuật học máy để sàng lọc hơn 13 tỉ va chạm ion nặng, mỗi cuộc va chạm có xu hướng tạo ra hàng ngàn các hạt tích điện. Giữa ‘nồi súp’ hạt năng lượng cao và siêu đặc đó, các nhà nghiên cứu có thể tìm ra khoảng 100 hạt X, hay một dạng mà người ta biết là X (3872), tên được đặt theo khối lượng ước tính của hạt này.

Kết quả nghiên cứu, được xuất bản trên Physical Review Letters, đánh dấu lần đầu tiên các nhà nghiên cứu dò được các hạt X trong quark-gluon plasma – một môi trường mà họ hi vọng sẽ soi rọi ra cấu trúc chưa biết của hạt này ¹.

“Đây mới chỉ là điểm khởi đầu của câu chuyện”, Yen-Jie Lee, nhà khoa học dẫn dắt nghiên cứu này và là phó giáo sư vật lý của MIT, nói. “Chúng tôi đã chứng tỏ chúng tôi có thể tìm ra được một tín hiệu.

Trong vài năm tới, chúng tôi muốn sử dụng quark-gluon plasma để chứng minh cấu trúc bên trong của hạt X, vốn có thể thay đổi cái nhin của chúng ta về dạng vật liệu mà vũ trụ này có thể tạo ra”. 

Các đồng tác giả của nghiên cứu cũng là thành viên của Nhóm hợp tác CMS Collaboration, một nhóm nghiên cứu quốc tế đang vận hành và thu thập dữ liệu từ Compact Muon Solenoid, một trong số các máy dò hạt của LHC.

Các hạt trong plasma

Các khối cơ bản của vật chất là neutron và proton, mỗi loại đều được tạo ra từ ba hạt quark được gắn kết một cách chặt chẽ. “Trong nhiều năm, chúng tôi đã từng nghĩ là do một số nguyên nhân, tự nhiên đã chọn việc tạo ra các hạt chỉ bao gồm hai hoặc ba quark”, Lee nói.

Chỉ mới gần đây, các nhà vật lý mới bắt đầu thấy những dấu hiệu của các tetraquark lạ – các hạt được tạo ra từ sự kết hợp hiếm của bốn quark. Các nhà khoa học nghi ngờ là X (3872) là một compact tetraquark hoặc một dạng hoàn toàn mới của phân tử không phải từ các nguyên tử mà được tạo ra từ các meson liên kết một cách lỏng lẻo chứ – các hạt hạ nguyên tử được hình thành từ hai quark.

X (3872) được khám phá lần đầu tiên vào năm 2003 bằng thực nghiệm Belle, một máy gia tốc hạt ở Nhật Bản cho phép va chạm các electron và positron năng lượng cao. Trong môi trường đó, các hạt hiếm phân rã quá nhanh để các nhà khoa học kiểm tra cấu trúc chi tiết của chúng. Người ta nêu giả thuyết là X (3872) và các hạt lạ khác phải được hiểu một cách tốt hơn trong quark-gluon plasma.

“Về mặt lý thuyết, có quá nhiều quark và gluon trong plasma khiến việc tạo ra các hạt X phải được gia tăng”, Lee nói. “Nhưng người ta nghĩ quá khó để tìm thấy chúng bởi có quá nhiều hạt khác cũng được tạo ra trong nồi súp quark này”. 

“Một tín hiệu thực sự”

Trong nghiên cứu mới này, Lee và cộng sự chờ đợi các tín hiệu của các hạt X ở trong quark-gluon plasma được tạo ra từ các va chạm ion nặng ở Máy gia tốc hạt lớn LHC của CERN. Họ dựa vào phân tích mà họ thực hiện với bộ dữ liệu năm 2018 LHC, vốn bao gồm hơn 12 tỉ va chạm ion chì, mỗi cuộc va chạm giải phóng quark và gluon được tán xạ và sáp nhập để hình thành hơn một nghìn triệu triệu hạt có thời gian sống ngắn trước khi giảm nhiệt độ và phân rã.

“Sau khi quark-gluon plasma hình thành và giảm nhiệt độ, có quá nhiều hạt được tạo ra”, Lee nói. “Vì vậy chúng tôi phải giảm số lượng đi để có thể cuối cùng tìm thấy các hạt X trong dữ liệu”. 

Để làm điều này, nhóm nghiên cứu đã sử dụng một thuật toán học máy mà họ đã huấn luyện để chọn ra các mẫu hình có đặc điểm của các hạt X. Ngay lập tức, họ đã tìm ra các hạt “chị em”. Với các hạt X,   mẫu hình phân rã, hoặc sự phân bố góc, được phân biệt rõ ràng so với các hạt khác.

Các nhà nghiên cứu do postdoc Jing Wang ở MIT dẫn dắt, nhận diện được các biến thiên chính miêu tả hình dạng của mẫu hình phân rã hạt X. Họ huấn luyện một thuật toán học máy để ghi nhận các biến thiên đó, sau đó “nuôi” chúng bằng dữ liệu từ các thực nghiệm va chạm ở LHC. Thuật toán này có thể sàng lọc bộ dữ liệu có nhiều nhiễu và dậm đặc để chọn ra các biến chính dường như là kết quả của phân rã của các hạt X.

Các nhà nghiên cứu nhìn vào các tín hiệu đó và quan sát đỉnh tại một khối lượng cụ thể, chỉ dấu sự hiện diện cúa các hạt X (3872) với số lượng 100 hạt. “Hầu như không thể tin được là chúng tôi có thể sàng lọc được hơn 100 hạt từ bộ dữ liệu khổng lồ này” Lee nói. Hiện anh đang cùng với Wang kiểm tra lại quan sát của mình.

“Hằng đêm tôi tự hỏi chính mình, đây có phải thực sự là tín hiệu hay không?”, Wang kể lại. “Và cuối cùng thì dữ liệu đã ‘nói’ là đúng”.

Các nhà nghiên cứu lập kế hoạch trong năm tới hoặc một vài năm tới sẽ tập hợp thêm nhiều dữ liệu để giải thích cấu trúc của hạt X. Nếu hạt này chính là một tetraquark được kết cấu một cách chặt chẽ thì sự phân rã sẽ phải chậm hơn so với một phân tử lỏng lẻo. Hiện tại nhóm nghiên cứu đã chứng tỏ các hạt X có thể dò được trong quark-gluon plasma nên họ muốn chứng tỏ hạt này với nhiều chi tiết hơn để xác định được cấu trúc của hạt X. “Chúng tôi không có đủ một thống kê cần thiết. Trong vài năm tới chúng tôi sẽ có thêm nhiều dữ liệu hơn để có thể phân tách thành hai kịch bản”, Lee nói. “Nó sẽ mở rộng cái nhìn của chúng tôi về các dạng hạt được tạo ra nhiều vô kể trong vũ trụ sớm”. 

Anh Vũ tổng hợp

Nguồn: https://phys.org/news/2022-01-exotic-particles-quark-gluon-plasma.html

http://www.sci-news.com/physics/x-3872-particles-quark-gluon-plasma-10488.html

https://news.mit.edu/2022/x-particles-quark-gluon-plasma-detection-0121

—————–

1. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.032001