Gluon đã kết dính vật chất lại như thế nào?

Khối lượng của proton từ đâu đến?

Vấn đề khối lượng luôn là vấn đề sâu sắc nhất trong vật lý. Chúng ta đã hiểu được vì đâu mà quark và lepton thu được khối lượng. Cơ chế tạo khối lượng là cơ chế hạt Higgs (tìm ra năm 2012 tại LHC – CERN, Geneva). Nhiều người nghĩ rằng cơ chế Higgs là nguồn gốc của mọi khối lượng trong vũ trụ song điều này không đúng. Khối lượng của quark chỉ tạo nên 2% khối lượng proton (và neutron). Còn lại 98% người ta nghĩ là do tác động của gluon. Song làm thế nào mà gluon lại tạo ra khối lượng cho proton và neutron trong khi gluon lại là một hạt không khối lượng?

Mấu chốt vấn đề nằm ở công thức m=E/c² của Einstein. Như vậy khối lượng nghỉ m xuất phát từ năng lượng E. Năng lượng của proton chủ yếu được cung cấp bởi gluon. Vậy phải tính năng lượng của gluon để có được khối lượng proton. Tính năng lượng của proton rất khó vì năng lượng tổng thể của gluon do nhiều yếu tố đóng góp. Năng lượng của một hạt tự do là do năng lượng chuyển động, song quark và gluon không tồn tại trong trạng thái riêng lẻ. Chúng chỉ là hạt tự do ở kích thước thời gian vô cùng nhỏ (< 310^-24 giây) trước khi kết hợp với những hạt hạ nguyên tử khác và biến mất khỏi tầm nhìn của chúng ta. Hơn nữa, với gluon, năng lượng không chỉ phát sinh từ chuyển động mà còn từ năng lượng liên kết giữa chúng với nhau và với quark thành những hạt sống lâu. Để hiểu bí ẩn của khối lượng phải hiểu được gluon đã “kết dính” các quark và nói chung đã kết dính vật chất như thế nào.

Hạt Gluon đã kết dính vật chất như thế nào?

Ở một mức độ nào đó, việc hiểu gluon đã kết dính như thế nào là đơn giản: gluon nắm trong tay tương tác mạnh. Song bản chất lực mạnh lại là một câu đố. Trong các tương tác thì tương tác mạnh là mạnh hơn cả. Gluon là hạt chuyển tải tương tác mạnh giống như photon chuyển tải tương tác điện từ.

Song lực mạnh lại tác động theo một kiểu đáng ngạc nhiên. Đối nghịch với tương tác điện từ lực mạnh không vượt ra khỏi phạm vi hạt nhân nguyên tử. Điều đó theo lý lẽ chung của vật lý thì gluon phải là hạt có khối lượng lớn song gluon lại là hạt không khối lượng.

Một đặc điểm của lực mạnh là khi quark càng cách xa nhau thì lực hút càng mạnh. Hiện tượng này được quan sát năm 1960 tại Trung tâm gia tốc tuyến tính quốc gia Stanford.

Trong thí nghiệm DIS (Deeply Inelastic Scattering – Tán xạ không đàn hồi sâu), người ta thấy quark hút nhau rất yếu ở khoảng cách ngắn còn ở khoảng cách lớn người ta không thấy quark vì chúng đã bị hút nhau quá mạnh. Hiện tượng này giống như hình ảnh hai quark được kết nối với nhau bằng một sợi dây cao su, càng kéo xa quark thì sợi dây cao su càng bị kéo căng tạo nên sức kéo lớn hơn. Lực hút giữa hai quark bằng một lực 16 tấn khi chúng ở khoảng cách bằng kích thước một proton. Nhưng nếu có ngoại lực lớn kéo dãn hai quark thì dây cao su có thể bị đứt. Và điều này lại là một bí ẩn mới: gluon chỉ kết dính trong nội vùng hạt nhân nguyên tử mà thôi, còn xa hơn thì gluon không còn tác dụng.

Mỗi proton hay neutron trong nguyên tử chứa ba hạt quark kết dính
với nhau bởi hạt gluon. Ngoài ra, nhiều cặp quark-phản quark luôn sinh
và hủy song song với hạt gluon cũng hiện ra rồi biến mất tạo nên một loại
bọt lượng tử làm biến đổi cấu hình hay nói cách khác biến dổi bức tranh
trong proton và neutron. Bản nhạc hỗn độn đó làm nảy sinh nhiều vấn đề
cơ bản ví như quark và gluon đã tạo nên khối lượng và spin của proton
và neutron như thế nào, bằng cách nào gluon kết dính được các quark
và giam giữ chúng trong proton và neutron. Các nhà vật lý đã phát triển lý
thuyết và đưa ra những cấu hình bất thường của quark và gluon.

Vì sao một số hạt có màu sắc?

Trong những năm 1970, các nhà vật lý đã tìm ra QCD (Quantum Chromo-Dynamics tức là Sắc động lực học Lượng tử) để mô tả tương tác mạnh. Trong QED (Quantum Electrodynamics tức Điện động lực học lượng) chúng ta có điện tích còn trong QCD, chúng ta có sắc tích (color), như vậy màu sắc trong QCD đóng vai trò như điện tích trong QED.

Theo QCD, quark và gluon đều có sắc tích. Song khác với photon trong QED gluon có thể tự tương tác với nhau.

Các nhà vật lý cho rằng vì gluon có thể tự tương tác với nhau cho nên lực mạnh trở nên yếu lúc khoảng cách nhỏ. Gluon có thể sinh cặp quark-phản quark và cũng có thể sinh cặp gluon và sau đó lại biến thành một gluon. Thăng giáng quark-phản quark làm cho lực tương tác giữa hai sắc tích mạnh lên, còn thăng giáng gluon-gluon làm cho lực tương tác ấy yếu đi.

QCD hiện nay là một lý thuyết trụ cột của SM (Standard Model – Mô hình chuẩn). Song nhiều khía cạnh của QCD còn chưa được sáng tỏ.

Ví dụ, ba quark trong proton mang ba màu đỏ, xanh lục và xanh, nhưng proton lại không có màu. Quark và phản quark trong hạt pion có màu trong lúc pion không có màu. Hiện tượng không có màu tương tự như trong QED các hạt không có điện tích.

QCD còn phải giải thích vì sao proton có thể thắng được sức đẩy điện từ giữa các proton để kết hợp với nhau trong nguyên tử. Việc suy diễn lý thuyết hạt nhân từ lý thuyết QCD cũng còn nhiều thách thức, vì rằng các phương trình QCD cực kỳ khó giải ở khoảng cách lớn lúc mà lực tương tác trở nên rất lớn.

Chúng ta thiếu chứng minh toán học vì sao quark và gluon bị giam giữ trong những hadron không có màu.Vấn đề giam giữ là một bài toán trị giá một triệu USD (đó là một trong sáu bài toán do viện Toán Clay đề ra và treo giải một triệu USD cho người đưa ra câu trả lời).

Vì sao gluon không nhân lên mãi?

Một hệ quả quan trọng của QCD là số gluon và quark trong một proton thay đổi rất đáng kể. Ngoài các quark ra, các gluon với số lượng luôn thay đổi, luôn chuyển động như những con đom đóm sáng lung linh thoắt hiện thoắt mất và nhiều cặp quark-phản quark cũng hình thành rồi tan biến.

Đó là một “bọt lượng tử” của những hạt sinh và hủy.

Các nhà vật lý cho rằng khi proton và neutron đạt vận tốc cực lớn thì gluon trong proton phân thành những cặp gluon với năng lượng nhỏ hơn. Những gluon còn lại tiếp tục phân thành những gluon cháu với năng lượng nhỏ hơn nữa. Song quá trình nhân này không tiếp tục mãi.

Trạng thái bão hòa: quá trình hình thành trạng thái bão hòa xảy ra
từ trái sang phải trên hình vẽ, khi proton và neutron được gia tốc đến
gần tốc độ ánh sáng thì gluon tự nhân lên. Gluon tách thành cặp
gluon con với năng lượng nhỏ hơn. Gluon con lại tách thành gluon cháu
với năng lượng nhỏ hơn nữa. Cuối cùng proton đạt đến giới hạn chứa
cực đại (maximum occupancy) – trạng thái này gọi là trạng thái ngưng tụ
màu thủy tinh (color glass condensate). Người ta hy vọng đạt trạng thái
này trong những máy gia tốc nhưng hiện nay thì chưa làm được.

Nếu gluon tiếp tục sinh sản như vậy thì proton phải vỡ tan (collapse) và không ổn định.
Song vật chất là ổn định vậy chắc có một cơ chế nào đó hãm phanh quá trình nhân đó (runaway cascade). Dường như thiên nhiên tạo ra cơ chế hãm phanh đó khi các gluon quá nhiều trong proton. Những gluon với năng lượng nhỏ hơn lại tái hợp thành những gluon năng lượng lớn hơn. Khi sự tăng trưởng gluon chậm lại gluon đạt đến trạng thái dừng không phân chia và cũng không tái hợp nữa: đó là trạng thái gluon bão hòa. Trạng thái này được gọi là ngưng tụ màu thủy tinh (color glass condensate).

Danh từ thủy tinh (glass) được vay mượn từ vật lý các vật liệu hành xử như chất rắn trong một thời gian ngắn nhưng lại hành xử như chất lỏng trong một thời gian dài. Từ ngưng tụ chỉ rằng mật độ gluon rất lớn.

Chúng ta chưa hiểu biết nhiều về trạng thái này lắm. Cần tiến hành những thí nghiệm DIS năng lượng cao hơn để phát hiện trạng thái cực đoan này của gluon. Có phải chăng trường lực hạn chế số gluon trong ngưng tụ màu thủy tinh cũng chính là trường giam giữ các proton?

Nếu quan sát trường đó từ nhiều bối cảnh khác nhau ta có thể có thêm ánh sáng để hiểu vấn đề gluon đã tạo ra nó như thế nào.

Spin của proton từ đâu đến?

Một bí ẩn tiếp theo là quark và gluon đã đóng góp vào spin của proton như thế nào?
Thực nghiệm chứng minh rằng quark chỉ đóng góp 30% vào spin của proton.

Vậy phần spin còn lại do ở đâu?

Bức tranh nhiều vật của biển gluon và quark gợi ý ngay rằng gluon có đóng góp vào spin của proton. Các thí nghiệm phá vỡ (smashing) proton phân cực với spin cùng chiều hoặc ngược chiều chuyển động thành những proton phân cực khác chứng tỏ rằng spin của gluon đóng góp 20% cho spin proron. Như vậy vẫn thiếu 50% spin.

Chuyển động các thiên thể gợi ý cách giải quyết: moment góc của thái dương hệ gồm chuyển động quay quanh trục của các hành tinh + chuyển động quỹ đạo quanh Mặt trời.

Quark, phản quark và gluon cũng có chuyển động quỹ đạo tương tự.
Nhiều nhà vật lý nghĩ rằng các đóng góp bổ sung vào spin của proton là: moment quỹ đạo của quark, spin và moment của gluon.

Các trạng thái lạ của vật chất

Lý thuyết QCD gợi ý rằng có tồn tại những trạng thái lạ (exotic) không màu như là “glue-ball” (chỉ gồm bằng gluon mà thôi), “phân tử” gồm hai cặp quark-phản quark và trạng thái gồm quark-phản quark-gluon. Thực nghiệm đã phát hiện tetraquark.

Quark và gluon có thể kết hợp với nhau thành những cấu hình
bất thường: bên trái là hạt bóng keo (glueball) chỉ có gluon,
chính giữa là hạt lai quark-phản quark-gluon, bên phải là
hạt tứ quark (tetraquark).

Các nhà vật lý cũng tìm ra một trạng thái cực đoan là plasma quark-gluon. Trạng thái này phát sinh lúc xảy ra va chạm của hai hạt nhân ở tốc độ gần tốc độ ánh sáng. Các nhà vật lý cho rằng các proton và neutron với tốc độ cao trong hai hạt nhân va chạm nhau thì ngưng tụ màu thủy tinh (color glass condensate) bị phá vỡ do đó kết thúc sự giam cầm quark và gluon và giải thoát năng lượng của ngưng tụ (condensate) và tạo nên một nhóm quark và gluon. Plasma này là loại plasma nóng nhất được tạo trên Trái đất với nhiệt độ cao hơn bốn tỷ tỷ độ C. Điều đáng ngạc nhiên là vật liệu này là chất lỏng chảy mà không có trở lực – ít nhất 20 lần nhỏ hơn trở lực của nước.

Plasma quark-gluon có sự tương tự đặc biệt với Vũ trụ lúc nguyên thủy.

Mô hình Vũ trụ nguyên thủy. Khi vũ trụ còn sơ khai quá nóng để proton,
neutron có thể hình thành. Quark và gluon bay quanh hỗn độn trong
một plasma quark-gluon. Khi nghiên cứu quá trình lạnh dần của plasma
này các nhà vật lý có thể hiểu được hành vi của quark và gluon và
các bước tiến hóa của vũ trụ lúc nguyên thủy.

Các nhà vật lý đã tạo nên plasma đó ở Phòng Thí nghiệm Quốc gia Brookhaven (Brookhaven National Laboratory’s Relativistic Heavy Ion Collider) và ở LHC tại CERN, họ đã quan sát được chất lỏng gần như lý tưởng (perfect fluid). Nhờ quan sát plasma này người ta có thể hiểu được sự tiến hóa của vũ trụ trong giai đoạn nguyên thủy.

Khi tạo được sự phá hủy của proton và neutron thành plasma theo con đường đó các nhà vật lý có thể nghiên cứu quá trình ngược lại quá trình giam giữ với hy vọng tìm ra các bí ẩn bằng cách nào quark và gluon đã kết dính với nhau.

Những nghiên cứu tiếp theo

Một cách lý tưởng mà nói các nhà vật lý muốn ánh xạ đầy đủ được vị trí, chuyển động và spin của gluon và quark trong proton và neutron. Một ánh xạ đầy đủ như vậy sẽ giúp họ tính được sự đóng góp của chúng vào khối lượng và spin của hạt proton và neutron và làm sáng tỏ các hoạt động của quark và gluon trong việc tạo thành proton và neutron.

Để có được những bức tranh đó cần một kính hiển vi femtoscope quark-gluon (một kính hiển vi [microscope] – có thể nhìn thấy vũ trụ ở kích thước nhỏ bằng phần nghìn bán kính của proton [as small as 1,000th the radius of a proton]).

Tại Mỹ, phòng thí nghiệm Jefferson và Brookhaven đang chuẩn bị xây dựng kính hiển vi femtoscope để nghiên cứu va chạm electron với proton phân cực và với hạt nhân chì. Ở đây các hạt đều được gia tốc đến gần tốc độ ánh sáng.

Máy va chạm EIC (Electron-Ion Collider – Máy Va chạm Electron-Ion) sẽ là công cụ lý tưởng thực hiện dự án kính hiển vi femtoscope nhằm quan sát quá trình kết dính các quark trong cấu trúc của proton, neutron và hạt nhân.

Nếu chúng ta phá vỡ proton thì chúng ta đã tiêu hủy chuyển động quỹ đạo của gluon vậy không quan sát được chuyển động này. Cho nên máy EIC là cần thiết để nghiên cứu hiện tượng kết dính quark của gluon mà không phá vỡ proton.

Như vậy chúng ta đang trên quá trình nghiên cứu các hạt trên bình diện hành xử tập thể (collective), điều này tương tự như quá trình nghiên cứu hành xử tập thể trong siêu dẫn của vật lý các môi trường đông đặc – nhà vật lý Venugopalan đã phát biểu ấn tượng như vậy. Chúng ta ở đây nghiên cứu vật lý vật chất đông đặc bằng lý thuyết tương tác mạnh QCD.

Hiện nay chúng ta còn chưa lấp được các lỗ trống trong kiến thức về vấn đề gluon đã kết dính vật chất như thế nào.

Trong vòng 40 năm, người ta hy vọng hiểu được các bí ẩn ở mức cơ bản nhất: vật chất đã được tạo nên như thế nào. 

         CC.biên dịch