Tại sao neutrons và protons bị biến đổi bên trong hạt nhân ?
Cấu trúc của một neutron hay một proton bị biến đổi khi hạt đó liên kết trong một hạt nhân nguyên tử. Dữ liệu thực nghiệm không chỉ đưa ra một giải thiết về hiệu ứng này mà còn cho thấy có thể có những liên quan đến vật lý hạt nhân.
Các proton và neutron biến đổi trong hạt nhân. a, Nucleons — neutrons and protons — gồm các hạt cơ bản mà ta gọi là quark. Neutrons chứa một quark lên và hai quark xuống, trong khi các proton chứa hai quark lên và một quark xuống. b, Trong một hạt nhân nguyên tử, các nucleon có thể tương tác trong những gì mà chúng ta vẫn gọi là cặp tương quan phạm vi ngắn (SRC).
Năm 1983, người ta đã có khám phá về cấu trúc bên trong của một hạt nucleon – một proton hay một neutron – phụ thuộc vào chính môi trường của nó. Đó là vì, cấu trúc của một nucleon trong một không gian rỗng khác biệt với chính cấu trúc của nó khi nó được gắn vào bên trong một hạt nhân nguyên tử. Dẫu vậy, bất chấp nhiều cố gắng trong cả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, nguyên nhân của sự biến đổi này vẫn còn là điều chưa rõ ràng. Trong bài báo “Cấu trúc thay đổi của các proton và neutron trong các cặp tương quan” (Modified structure of protons and neutrons in correlated pairs) mới xuất bản trên Nature, cộng đồng nghiên cứu CLAS đã trình bày bằng chứng để giải quyết vấn đề đã tồn tại trong thời gian dài này.
Sự xuất hiện của vật lý hạt nhân từng được báo hiệu vào những ngày Ernest Rutherford, thực hiện những thí nghiệm vào đầu những năm 1900 về tán xạ của các hạt α (hạt nhân heli) bằng vật chất đã giả thiết một lõi đặc rắn chắc tại trung tâm của các hạt nhân. Kể từ đó, các nhà vật lý đã nghiên cứu để hiểu cấu trúc của các hạt nhân nguyên tử và các quá trình động lực học của các phần cấu tạo nên nó. Tương tự, kể từ khi được phát hiện vào cuối những năm 1960 rằng bản thân các nucleon cũng có thàn phần bên trong gọi là các hạt quarks, khiến việc nghiên cứu được tập trung hơn vào việc tìm hiểu cấu trúc sâu hơn của nó.
Trong nhiều thập kỷ, có một ý tưởng là các nucleon trong hạt nhân tồn tại độc lập với nhau về mặt cấu trúc và bị ảnh hưởng bởi trường hạt nhân trung bình – vốn do các tương tác hạt nhân qua lại tạo ra. Dẫu sao, một câu hỏi vẫn còn lại là liệu các nucleon có bị biến đổi khi nó ở bên trong một hạt nhân không; nếu như vậy thì liệu cấu trúc của nó có khác biệt với một hạt nhân tự do không. Vào năm 1983, một khám phá đáng chú ý do Nhóm hợp tác Muon châu Âu (European Muon Collaboration EMC) tại CERN gần Geneva, Thụy Sỹ, cung cấp bằng chứng về sự biến đổi nucleon. Sự biến đổi này, vẫn được biết đến với tên gọi hiệu ứng EMC, tự thân nó chứng minh như một biến đổi trong sự phân bố xung lượng của các hạt quark trong các hạt nucleon, vốn được đưa vào trong hạt nhân. Kết quả này đã được nhiều thí nghiệm ở Phòng thí nghiệm máy gia tốc quốc gia SLAC ở Menlo Park, California và Cơ sở máy gia tốc quốc gia Thomas Jefferson (Jefferson Lab) tại Newport News, Virginia, xác nhận.
Dẫu sự tồn tại của hiệu ứng EMC đã được xác nhận nhưng những nguyên nhân của nó vẫn còn là bí ẩn. Hiện nay có hai cách giải thích EMC: 1. Tất cả các nucleon trong một hạt nhân đều được biến đổi bởi trường hạt nhân trung bình; 2. Phần lớn các nucleon đều không biến đổi nhưng các nucleon đặc biệt đều biến đổi bởi cặp tương quan phạm vi ngắn (short-range correlated SRC). Bài báo của nhóm hợp tác CLAS cung cấp bằng chứng rõ ràng nghiêng về cách giải thích thứ hai.
Hiệu ứng EMC được đo đạc trong các thực nghiệm mà trong đó các electron tán xạ trong một hệ các hạt là một hạt nhân hoặc một nucleon. Năng lượng của electron được lựa chọn sao cho sóng cơ học lượng tử của các electron có bước sóng phù hợp với các chiều của hệ đó. Để nghiên cứu về thế giới bên trong của một hạt nhân, cần một năng lượng cỡ 1 đến 2 GeV (tỷ eV). Để chứng minh cấu trúc của một hệ nhỏ hơn, như một nucleon, các năng lượng cao hơn (tương ứng với các bước sóng nhỏ hơn) là cần thiết, trong một quá trình mà người ta gọi là tán xạ phi đàn hồi sâu (deep inelastic scattering DIS). Quá trình này là cơ sở cho khám phá cấu trúc quark của các nucleons, với kết quả là giải thưởng Nobel Vật lý năm 1990.
Trong các thí nghiệm DIS, tốc độ mà tại đó tán xạ xảy ra được miêu tả bằng tiết diện tán xạ (scattering cross-section). Cường độ của hiệu ứng EMC được xác định bằng việc vẽ tỉ số tiết diện tán xạ trên mỗi nucleon của một hạt nhân cho trước chia cho tiết diện đó của đồng vị deuteri của hydro như một hàm phụ thuộc xung lượng của hạt quark gây bởi va chạm với electron. Nếu ở đó không có sự biến đổi nucleon, tỷ lệ này có thể bằng hằng số giá trị 1. Thực tế là tỷ lệ đó suy giảm như hàm phụ thuộc xung lượng của một hạt nhân xác định, cho thấy sự biến đổi của các nucleon đơn lẻ trong hạt nhân này. Dẫu sao, thực tế cho thấy sự suy giảm đó xảy ra nhanh hơn nếu khối lượng của các hạt nhân tăng lên và hiệu ứng EMC tăng lên đối với các hạt nhân nặng hơn.
Nhóm hợp tác CLAS đã sử dụng dữ liệu tán xạ electron từ Phòng thí nghiệm Jefferson để thiết lập mối liên hệ giữa kích thước của hiệu ứng EMC và số lượng các cặp neutron–proton tương quan phạm vi ngắn trong một hạt nhân xác định. Nét chính của nghiên cứu này là trích xuất ra hàm toán học, bao gồm hiệu ứng của cặp tương quan phạm vi ngắn phụ thuộc vào tiết diện tán xạ, không bị phụ thuộc vào hạt nhân đã cho. Tính chất chung đó đem lại xác nhận thuyết phục về sự liên hệ giữa hiệu ứng EMC và các cặp neutron–proton tương quan phạm vi ngắn. Kết quả này cho thấy sự biến đổi nucleon là một hiệu ứng của quá trình động lực xảy ra do có sự thay đổi mật độ cục bộ, trái ngược với một trạng thái tĩnh của môi trường, trong đó tất cả các nucleon được biến đổi bởi trường hạt nhân trung bình.
Các tác giả đã tập trung vào các cặp neutron–proton tương quan phạm vi ngắn bởi nguyên nhân sau: các cặp đó phổ biến hơn các cặp tương quan neutron–neutron hay proton–proton. Theo ý nghĩa này, các nucleon là bình đẳng; tức là sự tạo cặp sẽ dễ dàng với những nucleon khác loại hơn là cùng loại. Chính vì vậy, do sự chênh lệch về số lượng neutron và proton trong các hạt nhân có khối lượng trung bình và nặng, xác suất của các proton hình thành cặp neutron–proton tương quan phạm vi ngắn tăng lên theo tỷ số của neutrons trên protons, trong khi xác suất của neutrons có thể tạo cặp xu hướng này là bão hòa. Đặc tính đặc biệt này đã được nhóm hợp tác CLAS sử dụng để củng cố các kết luận chứng tỏ sự khác biệt rõ ràng giữa các hiệu ứng EMC trên một proton và neutron cho các hạt nhân phi đối xứng nặng hơn carbon. Thông tin trực tiếp từ dữ liệu này đã hỗ trợ các tác giả giải thích sự biến đổi của nucleon xuất hiện từ sự hình thành của các cặp tương quan phạm vi ngắn.
Một gợi ý từ nghiên cứu này là thông tin rút ra về các hạt neutron tự do từ các thí nghiệm DIS với nước nặng hay hạt nhân nặng hơn cần được hiệu chỉnh bởi hiệu ứng EMC để tính đến sự biến đổi của các hạt neutron trong môi trường hạt nhân. Một hệ quả nữa là cần tính đến hiệu ứng này cho các thí nghiệm hiện tại và tương lai khi nghiên cứu tán xạ của neutrino và phản hạt (kể cả phản neutrino) tán xạ trên các hạt nhân bất đối xứng. Bởi vì proton và neutron đều có các thành phần hạt quark khác nhau và các proton đều bị ảnh hưởng một cách mạnh mẽ từ sự biến trong môi trường vật chất hơn là các neutrons, tiết diện tán xạ neutrino và phản neutrino có thể cho thấy sự khác biệt dễ nhầm lẫn từ một hiệu ứng của vật lý hạt không bền – như sự không đầy đủ của mô hình chuẩn trong vật lý hạt hay các cơ chế có thể nhằm giải thích sự bất đối xứng giữa vật chất và phản vật chất trong vũ trụ. Trước khi đưa ra bất kỳ tuyên bố nào thì những khác biệt trong hiệu ứng EMC với proton và neutron cần được xét đến.
Thanh Nhàn dịch
TS. Lê Xuân Chung (Viện Khoa học kỹ thuật hạt nhân, Viện NLNTVN) hiệu đính
Nguồn: https://www.nature.com/articles/d41586-019-00577-0
