Ba máy gia tốc hạt mạnh nhất thế giới phát hiện hình học không thời gian của vật chất quark

Các nhà vật lý của trường đại học Eötvös Loránd (ELTE) đã thực hiện một nghiên cứu về vật chất tạo thành hạt nhân nguyên tử sử dụng ba máy gia tốc hạt mạnh nhất thế giới. Họ mong muốn lập bản đồ thứ “súp ban sơ” tràn ngập vũ trụ tại phần triệu giây sau điểm khởi đầu vũ trụ.

Thú vị nhất là những đo lường của họ chứng tỏ là dịch chuyển của các hạt được quan sát có sự tương đồng với cuộc săn mồi của những loài ăn thịt ở đại dương, các mẫu hình biến đổi khí hậu và những thăng giáng của thị trường chứng khoán.

Ở khoảnh khắc ngay sau Big Bang, các mức nhiệt độ của vũ trụ lên tới mức cực đoan nên các hạt nhân nguyên tử có thể không tồn tại, hay có thể cả các nucleon, các khối xây dựng cơ bản của chúng. Do đó, ngay trong trường hợp đầu tiên này, vũ trụ đã được “nhồi đầy” một thứ “súp ban sơ” của các quark và các gluon.

Khi vũ trụ lạnh dần, môi trường trung gian này trải qua một giai đoạn “đóng băng”, dẫn đến sự hình thành của các hạt mà chúng ta biết ngày nay, như các hạt proton và các neutron. Hiện tượng này được tái lập ở quy mô nhỏ hơn trong các thực nghiệm máy gia tốc hạt, nơi các va chạm giữa hai hạt nhân được tạo ra từ những mảnh bé tí của vật chất quark. Những mảnh này cuối cùng được chuyển pha thành vật chất thông thường thông qua quá trình “đóng băng”, một sự chuyển đổi đã được các nhà nghiên cứu thực hiện thực nghiệm này biết đến.

Tuy nhiên, các đặc trưng của vật chất quark matter lại rất đa dạng do những khác biệt trong áp suất và nhiệt độ từ năng lượng va chạm trong các máy gia tốc hạt. Sự biến thiên này đòi hỏi những đo lường phải ‘quét’ vật chất trong những máy gia tốc hạt ở các mức năng lượng khác nhau, Vành va chạm ion nặng tương đối (RHIC) ở Mỹ, hay Máy gia tốc Siêu Proton (SPS) và Máy gia tốc hạt lớn (LHC) ở Thụy Sĩ.

“Khía cạnh này rất quan trọng đến mức những máy gia tốc mới đang được thiết kế trên khắp thế giới, ví dụ như ở Đức hay Nhật Bản, cho nhiều thực nghiệm cụ thể. Có lẽ câu hỏi có ý nghĩa bậc nhất là sự chuyển đổi giữa các pha như thế nào: một điểm quan trọng có thể đột sinh trên bản đồ pha”, theo Máté Csanád, giáo sư vật lý tại Khoa Vật lý nguyên tử, trường đại học Eötvös Loránd (ELTE).

Mục tiêu dài hạn của nghiên cứu là làm sâu sắc hơn hiểu biết của chúng ta về tương tác mạnh chi phối các tương tác trong vật chất quark và trong hạt nhân nguyên tử. Mức độ hiểu biết hiện nay của chúng ta trong lĩnh vực này có thể giống như việc mới nắm bắt được về điện trong kỷ nguyên của Volta, Maxwell hay Faraday.

Dẫu họ đã có một khái niệm về các phương trình cơ bản, vẫn cần xem xét một lượng lớn lý thuyết và thực nghiệm để phát triển các cồn nghệ có thể làm chuyển đổi một cách rõ rệt đời sống hằng ngày, trải rộng trên phạm vi từ bóng điện đến ti vi, điện thoại, máy tính và internet. Một cách đơn giản, hiểu biết của chúng ra về tương tác mạnh vẫn còn sơ khai, khiến cho việc nghiên cứu để khám phá và sắp xếp chúng trở nên rất quan trọng.

Các nhà nghiên cứu ELTE đã tham gia vào các thực nghiệm trên ba máy gia tốc lớn kể trên, và công việc của họ trong vài năm trở lại đây đã dẫn đến việc tạo ra một bức tranh khá toàn diện về hình học của vật chất quark. Họ đã đạt được điều này thông qua ứng dụng các kỹ thuật femtoscopy. Kỹ thuật này đã sử dụng những mối tương quan xuất hiện từ bản chất các sóng giống lượng tử, phi cổ điển của các hạt được tạo ra, trong đó điểm cuối tiết lộ cấu trúc ở mức femto mét của môi trường trung gian, nguồn phát xạ hạt.

“Trong những thập kỷ trước, femtoscopy đã được điều hành dựa trên giả định là vật chất quark tuân theo phân bố thông thường, ví dụ hình dạng Gauss được tìm thấy ở nhiều nơi chốn trong tự nhiên”, Márton Nagy, một trong những nhà nghiên cứu dẫn dắt thực nghiệm, giải thích. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu Hungary đã trở về tới quá trình Lévy, vốn quen thuộc với nhiều bộ môn khoa học, như một khung tổng quát, và có một miêu tả tốt cho cuộc săn của các động vật săn mồi ở đại dương, các quá trình diễn ra trên thị trường chứng khoán và ngay cả biến đổi khí hậu.

Một dấu vết đặc biệt của các quá trình đó là tại các khoảnh khắc nhất định, chúng nếm trải những thay đổi lớn (ví dụ khi một con cá mập tìm thức ăn ở một khu vực mới) và trong nhiều trường hợp, một phân bố Lévy có thể xuất hiện thay vì phân bố thông thường (kiểu Gauss).

Cuộc tìm kiếm này có vai trò quan trọng bởi nhiều nguyên nhân. Đầu tiên, một trong số những đặc điểm được nghiên cứu nhiều nhất của tình trạng đóng băng vật chất quark, sự chuyển đổi của nó sang vật chất thông thường (hadron), là bán kính femtoscopy (hay còn gọi là bán kính HBT, chỉ dấu sự liên quan đến hiệu ứng Hanbury Brown và Twiss nổi tiếng trong thiên văn), vốn được khai thác từ các đo lường femtoscopy. Tuy nhiên, quy mô này phụ thuộc vào hình học giả định của môi trường trung gian.

Như Dániel Kincses, một postdoct của nhóm nghiên cứu, tổng kết “nếu giả định Gauss không tối ưu, thì các kết quả chính xác nhất của các nghiên cứu có thể chỉ đạt được trong điều kiện giả thuyết Lévy. Giá trị của ‘diễn giải Lévy’ mang đặc điểm của phân bố Lévy có thể làm rõ bản chất của quá trình chuyển pha. Do đó, sự biến thiên của nó với năng lượng va chạm đem đến những cái nhìn giá trị vào cac pha khác nhau của vật chất quark”.

Các nhà nghiên cứu từ ELTE tham gia tích cực vào cả bốn thực nghiệm: NA61/SHINE tại máy gia tốc SPS, PHENIX và STAR tại RHIC, và CMS tại LHC. Nhóm NA61/SHINE của ELTE do Yoshikazu Nagai dẫn dắt, nhóm CMS do Gabriella Pásztor dẫn dắt; và các nhóm ở RHIC do Máté Csanád, người điều phối nghiên cứu femtoscopy của ELTE.

Nhóm nghiên cứu đang có những đóng góp quan trọng vào thành công của các thực nghiệm ở nhiều phạm vi đòi hỏi những năng lực khác nhau, từ phát triển máy gia tốc đến tiếp nhận và phân tích dữ liệu. Họ cũng gắn kết với nhiều dự án và nghiên cứu lý thuyết khác nhau. “Cái độc đáo của nghiên cứu femtoscopy của chúng tôi là được thực hiện trong bốn thực nghiệm trên ba máy gia tốc hạt – nó trao cho chúng tôi một cái nhìn rộng hơn về hình học và các pha có thể của vật chất quark”, Máté Csanád nói.

Nhóm nghiên cứu trình bày phát hiện của mình tại hội thảo Những tương quan hạt và Femtoscopy, diễn ra vào đầu tháng 11/2023. Là một phần của những hợp tác ở quy mô lớn hơn, họ xuất bản nghiên cứu trên tạp chí The European Physical Journal C ¹, Physics Letters B ² và Universe.

Thanh Hương tổng hợp

Nguồn: https://phys.org/news/2023-11-world-powerful-particle-reveal-space-time.html

https://www.elte.hu/en/content/space-time-geometry-of-quark-matter-revealed.t.2952

——————————————————–

1. https://link.springer.com/article/10.1140/epjc/s10052-023-12161-y

2. https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0370269323006299