Bức tranh nhất quán đầu tiên của hạt nhân nguyên tử tạo ra từ các quark và gluon
Các hạt nhân nguyên tử được tạo thành từ các proton và các neutron, những hạt tồn tại thông qua sự tương tác của các quark có gắn kết bằng các gluon. Thật khó có thể tái tạo mọi đặc trưng của hạt nhân nguyên tử chỉ dựa vào quan sát quark và gluon trong các thực nghiệm hạt nhân. Tuy nhiên, giờ thì một nhóm nghiên cứu quốc tế đã thành công với điều tưởng chừng không thể đó.
Đã gần một thế kỷ trôi qua kể từ khi khám phá ra các thành phần chính của hạt nhân nguyên tử: các proton và các neutron. Đầu tiên, các hạt mới được xem như là không thể phân chia được nhưng vào những năm 1960, tuy nhiên, có đề xuất cho rằng, tại các mức năng lượng cao một cách phù hợp, proton và neutron có thể còn cho thấy cấu trúc bên trong của chúng – sự hiện diện của các hạt quark được gắn kết bằng các hạt mang tương tác gluon.
Không lâu sau đó, sự tồn tại của các hạt quark đã được xác nhận bằng thực nghiệm. Điều gây ngạc nhiên nhất là, bất chấp hàng thập kỷ đã trôi qua, chưa ai có thể dùng các mô hình quark-gluon để tái tạo kết quả của các thực nghiệm hạt nhân tại các mức năng lượng thấp khi thấy được các proton và neutron trong các hạt nhân nguyên tử.
Bế tắc kéo dài này mới được phá vỡ, trong một bài báo xuất bản trên tạp chí Physical Review Letters. Trong số các tác giả chính của bài báo có các nhà khoa học của nhóm hợp tác quốc tế nCTEQ về sự phân bố quark-gluon.
“Cho đến bây giờ, có hai miêu tả song song về hạt nhân nguyên tử, một dựa trên các proton và các neutron mà chúng ta có thể thấy ở các mức năng lượng thấp và một là ở các mức năng lượng cao, dựa vào các hạt quark và gluon. Trong công trình của chúng tôi, chúng tôi đã mang hai cách thuộc về hai thế giới tách biệt này nhập làm một”, tiến sĩ Aleksander Kusina, một trong ba nhà lý thuyết từ Viện Vật lý hạt nhân của Viện Hàn lâm Khoa học Ba Lan (IFJ PAN) tham gia vào nghiên cứu, cho biết.
Con người thường nhìn thế giới xung quanh bằng những máy dò bẩm sinh (cặp mắt) để ghi nhận những photon tán xạ từng tương tác với các nguyên tử và các phân tử tạo nên các vật thể trong môi trường. Các nhà vật lý có được hiểu biết về các hạt nhân nguyên tử theo cách tương tự: họ cho va chạm chúng với các hạt nhanh và phân tích một cách cẩn trọng kết quả của những va chạm đó.
Dẫu vậy, vì các nguyên nhân cụ thể, họ không sử dụng được những photon trung hòa điện tích mà chỉ sử dụng được các hạt cơ bản có tích điện, phổ biến như các electron. Các thực nghiệm chứng tỏ khi các electron ở các mức năng lượng thấp, hạt nhân nguyên tử hành xử như khi chúng được tạo ra từ các nucleon (đó là các proton và neutron), trong khi ở các mức năng lượng cao, có thể “thấy được” các parton (đó là các quark và gluon) trong các hạt nhân nguyên tử.
Có thể tái tạo được các kết quả thu được từ va chạm các hạt nhân nguyên tử với các electron bằng các mô hình giả định sự tồn tại của các nucleon để mô tả các va chạm ở vùng năng lượng thấp, và các parton ở các va chạm ở vùng năng lượng cao. Tuy nhiên, không thể kết hợp được cả hai miêu tả này trong một bức tranh liền mạch.
Trong công trình mới, các nhà vật lý ở IFJ PAN đã sử dụng dữ liệu từ các va chạm năng lượng cao, bao gồm, những dữ liệu thu thập được tại máy gia tốc LHC tại CERN ở Geneva. Chủ đề chính là nghiên cứu cấu trúc parton của hạt nhân nguyên tử ở mức năng lượng cao, hiện tại được miêu tả bằng hàm phân bố (PDFs).
Các hàm này được sử dụng để lập sơ đồ về việc các quark và các gluon được phân bố bên trong các proton và neutron và hạt nhân nguyên tử. Với các hàm PDF cho các hạt nhân nguyên tử, có thể xác định được các tham số có thể đo lường về mặt thực nghiệm, như xác suất tạo ra một hạt cụ thể trong một va chạm giữa electron hoặc proton với các hạt nhân.
Từ quan điểm lý thuyết, sự tồn tại của đề xuất đổi mới trong bài báo là một sự mở rộng khéo léo các hàm phân bố parton, xuất phát từ các mô hình hạt nhân thường được sử dụng để miêu tả các va chạm ở vùng năng lượng thấp, nơi các proton và các neutron được giả định kết hợp thành các cặp nucleon tương tác mạnh: proton-neutron, proton-proton và neutron-neutron.
Cách tiếp cận mới cho phép các nhà nghiên cứu xác định, với 18 hạt nhân nguyên tử được nghiên cứu, các hàm phân bố parton trong hạt nhân nguyên tử, các phân bố parton trong các cặp nucleon tương quan và ngay cả số các cặp tương quan.
Các kết quả xác nhận quan sát đã biết từ các thực nghiệm ở vùng năng lượng thấp mà phần lớn các cặp tương quan là các cặp proton-neutron (kết quả này thú vị với các hạt nhân nặng, đó là vàng hoặc chì). Một tiến bộ khác của cách tiếp cận này được đề xuất trong bài báo là đem lại một miêu tả tốt hơn về dữ liệu thực nghiệm so với các phương pháp truyền thống thường được dùng để miêu tả các phân bố parton trong hạt nhân nguyên tử.
“Trong mô hình của chúng tôi, chúng tôi đã có những cải thiện để mô phỏng hiện tượng kết cặp của các nucleon nhất định. Có được điều này là bởi chúng tôi đã nhận thấy sự liên quan của hiệu ứng này ở mức parton. Thú vị là điều này cho phép đơn giản hóa khái niệm của miêu tả lý thuyết, qua đó cho phép chúng tôi nghiên cứu về các phân bố parton ở cấp độ từng hạt nhân nguyên tử một cách chính xác hơn trong tương lai”, tiến sĩ Kusina giải thích.
Sự đồng thuận giữa dự đoán lý thuyết và dữ liệu thực nghiệm cho thấy, sử dụng mô hình parton và dữ liệu từ các vùng năng lượng cao, có thể lần đầu tái tạo được hành xử của hạt nhân nguyên tử mà từ trước đến nay chỉ giải thích được bằng miêu tả nucleon và dữ liệu ở va chạm trong các vùng năng lượng thấp. Kết quả của nghiên cứu này mở ra những chân trời mới cho hiểu biết tốt hơn về cấu trúc hạt nhân nguyên tử, kết nối các khía cạnh năng lượng thấp và cao.
Thanh Phương dịch
Nguồn: Viện Hàn lâm Khoa học Ba Lan
https://press.ifj.edu.pl/en/news/2024/10/15
