Tỉ lệ phát xạ hạt mở cánh cửa mới vào sự tiến hóa của vật chất trong vũ trụ sớm

Các nhà nghiên cứu tại Viện Vật lý hiện đại (IMP) của Viện hàn lâm Khoa học Trung Quốc (CAS) đã đề xuất một chỉ dấu chính có thể tiết lộ sự đột sinh của quark-gluon plasma (QGP) bằng việc phân tích các ‘vết’ hạt được tạo ra từ các va chạm ion nặng.

Được xuất bản trên tạp chí Physics Letters B, nghiên cứu này cung cấp một tầm nhìn mới để khám phá sự tiến hóa của vật chất trong vũ trụ sớm.

Khoảng 13,8 tỉ năm trước, bằng một phần triệu giây sau Big Bang, vũ trụ này tồn tại ở một trạng thái siêu nóng và đậm đặc. Thay vì các proton và neutron, các khối cơ bản của vật chất là các hạt quark và gluon tự do – một trạng thái độc đáo mà người ta gọi là QGP. Khi vũ trụ giãn nở và lạnh dần, trạng thái QGP đã ngưng tụ thành các hạt nhân nguyên tử mà chúng ta thấy ngày nay.

“Dẫu các nhà khoa học đã thành công trong việc tạo ra QGP trong phòng thí nghiệm, việc lập bản đồ chính xác quá trình hình thành của nó vẫn còn là một thách thức đáng kể”, giáo sư Yong Gaochan của IMP nói. “Tươmg tự như cách nhận diện vết của từng cá thể, các tỉ lệ của các hạt khác nhau được tạo ra trong các va chạm thường mang những thông tin cốt lõi”.

Các nhà nghiên cứu sử dụng một mô hình chuyển đổi đa pha được cải thiện để mô phỏng va chạm của các ion nặng như calcium-40, calcium-48, và vàng-197, tập trung vào các mẫu được tạo ra của bốn loại hạt: Λ hyperons, K⁺ mesons, π mesons, và protons. Khi hệ thống va chạm chuyển từ các hạt calcium-40 nhẹ hơn sang các hạt nặng hơn như vàng-197, có những thay đổi dị thường trong các tỉ lệ hạt cụ thể.

Nghiên cứu chỉ ra các tỉ lệ phát xạ của các hạt được nhận diện trong các hệ tương tác nặng – nhẹ có thể đóng vai trò chỉ dấu cần thiết cho việc nhận diện sự hình thành QGP.

Khi QGP hình thành, dòng chảy tự do của các hạt quark và gluon ngăn cản đa tán xạ giữa các hadron, qua đó dẫn đến lượng hạt thấp hơn đáng kể so với dự đoán từ hadron tinh khiết. Ngược lại, nếu không có QGP, các va chạm hadron tiếp tục gia tăng một cách ổn định hiệu suất tạo hạt.

Để đánh giá giả thuyết này, các nhà nghiên cứu đã kiểm tra chéo kết quả bằng mô hình khác, qua đó xác nhận thêm mối tương quan giữa hiệu suất tạo các hạt dị thường và sự hình thành vật chất quark. Các mô phỏng cho thấy tán xạ parton đã được giảm thiểu tác động lên hiệu suất hạt trong khi tán xạ hadron lại thúc đẩy chúng đáng kể.

Chứng minh mới được đề xuất đã giảm thiểu hiệu quả các lỗi hệ thống và sự bất định của mô hình, qua đó tăng cường một cách đáng kể độ nhạy và khả tín của việc dò, theo nghiên cứu.

“Chứng minh mới cung cấp những manh mối quan trọng cho việc lập sơ đồ pha QCD hoàn chỉnh. Nó không chỉ phụ thuộc vào hiểu biết về các trạng thái vật chất siêu đậm đặc mà còn đưa ra những cái nhìn thực nghiệm mới vào sự tiến hóa của vũ trụ sớm”, Yong nói.

Thanh Hương dịch từ  Chinese Academy of Sciences

Nguồn: https://english.cas.cn/newsroom/research_news/phys/202504/t20250422_1041692.shtml