Phát hiện ra phản hạt nhân nặng nhất từ nhiệt độ hai nghìn tỉ độ

Một đội gồm các nhà nghiên cứu đến từ khắp nơi trên thế giới lần đầu tiên đã tạo ra được một hạt được tin là tồn tại ngay sau sự sáng tạo ra vũ trụ - cái gọi là “Big Bang” (Vụ Nổ Lớn) – và nó có thể dẫn đến những nghi vấn và những câu trả lời mới về một số định luật vật lí cơ bản vì điều cốt lõi là nó tạo ra một dạng mới của vật chất.

 

Biểu đồ trên được gọi là biểu đồ 3D của các hạt nhân. Bảng tuần hóa học quen thuộc sắp xếp các nguyên tố theo số nguyên tử Z của chúng, đại lượng xác định tính chất hóa học của từng nguyên tố. Các nhà vật lí thì còn quan tâm đến trục N thể hiện số neutron trong hạt nhân. Trục thứ ba biểu diễn số lạ, S, bằng không đối với mọi vật chất xuất hiện bình thường trong tự nhiên, nhưng có thể là khác không trong lõi của những ngôi sao đã co sụp vì hấp dẫn. Phản hạt nhân nằm tại chỗ Z và N âm trong biểu đồ trên, và phản hạt nhân mới khám phá được (màu tía) hiện tại đã mở rộng biểu đồ 3D trên vào vương quốc mới của phản vật chất lạ.

Một đội gồm các nhà khoa học quốc tế đang nghiên cứu các va chạm năng lượng của các ion vàng tại Máy Va chạm ion Nặng Tương đối tính (RHIC), một máy gia tốc hạt có chu vi 2,4 dặm đặt tại Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kì, vừa công bố bằng chứng tồn tại của phản hạt nhân nặng nhất đã được phát hiện ra từ trước đến nay. Phản hạt nhân mới, phát hiện ra tại detector STAR của RHIC, là một trạng thái tích điện âm của phản vật chất gồm một phản proton, một phản neutron, và một hạt phản-Lambda. Nó còn là một phản hạt nhân đầu tiên chứa một phản quark lạ. Các kết quả trên đã được công bố trực tuyến trên Science Express vào hôm 4 tháng 3, 2010.

“Khám phá thực nghiệm này có thể có những hệ quả chưa có tiền lệ cho quan điểm của chúng ta về thế giới”, bình luận của nhà vật lí lí thuyết Horst Stoecker, phó chủ tịch Hiệp hội Helmholtz của Các phòng thí nghiệm quốc gia Đức. “Loại phản vật chất này đã mở rộng cánh cửa hướng đến những chiều kích mới trên biểu đồ hạt nhân – một ý tưởng mà chỉ cách đây vài năm trước thôi, sẽ bị coi là viễn tưởng”.

Khám phá trên có lẽ còn giúp làm sáng tỏ các mô hình sao neutron và mở rộng việc khảo sát những sự bất đối xứng cơ bản trong vũ trụ sơ khai.

Máy theo dõi Solenoid tại RHIC (STAR) là một detector chuyên dụng để ghi lại vết tích của hàng nghìn hạt tạo ra bởi mỗi va chạm ion. Đơn vị đồ sộ trên cân nặng 1200 tấn và lớn bằng một ngôi nhà. Ảnh: Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven.

Mọi hạt nhân trên trái đất đều cấu tạo gồm proton và neutron (chúng chỉ chứa các quark up và down). Bảng tuần hoàn các nguyên tố dạng chuẩn được sắp xếp theo số lượng proton, cái xác định tính chất hóa học của từng nguyên tố. Các nhà vật lí còn sử dụng một biểu đồ ba chiều, phức tạp hơn, để biểu diễn thông tin về số lượng neutron, đại lượng có thể thay đổi ở những đồng vị khác nhau của cùng một nguyên tố, và một lượng tử gọi là “số lạ”, phụ thuộc vào sự có mặt của các quark lạ (xem biểu đồ). Hạt nhân chứa một hoặc nhiều quark lạ được gọi là siêu hạt nhân.

Đối với mọi vật chất thông thường không có chứa quark lạ, giá trị số lạ là zero và biểu đồ có dạng phẳng. Các siêu hạt nhân xuất hiện phía bên trên mặt phẳng của biểu đồ. Khám phá mới về phản vật chất lạ chứa một quark lạ (một phản siêu hạt nhân) đánh dấu sự xuất hiện lần đầu tiên bên dưới mặt phẳng trên.

Nghiên cứu về phản siêu hạt nhân mới này còn mang lại một thí dụ rất có ích về siêu hạt nhân bình thường, và có những gợi ý cho chúng ta tìm hiểu cấu trúc của những ngôi sao đã co lại.

“Giá trị số lạ có thể khác không trong lõi của những ngôi sao đã co lại”, phát biểu của Jinhui Chen, một trong những tác giả đứng đầu, một nhà nghiên cứu hậu tiến sĩ tại trường đại học bang Kentucky và hiện là nhân viên khoa học tại Viện Vật lí Ứng dụng Thượng Hải, “cho nên những phép đo hiện nay tại RHIC sẽ giúp chúng ta phân biệt giữa những mô hình mô tả những trạng thái kì lạ này của vật chất”.

Những kết quả trên còn lát đường dẫn đến việc khảo sát các vi phạm của những đối xứng cơ bản giữa vật chất và phản vật chất xảy ra trong vũ trụ sơ khai, mang lại sự tồn tại của thế giới của chúng ta.

Các va chạm hạt tại RHIC nhanh chóng tạo ra những điều kiện tồn tại một vài micro giây sau Big Bang, cái các nhà khoa học tin là đã mang lại sự khai sinh ra vũ trụ như chúng ta biết cách nay chừng 13,7 tỉ năm trước. Trong các va chạm hạt nhân-hạt nhân tại RHIC lẫn trong Big Bang, các quark và phản quark hợp nhất với sự dồi dào ngang nhau. Tại RHIC, trong số những mảnh vỡ va chạm sống sót đến trạng thái cuối cùng, vật chất và phản vật chất sẽ vẫn gần như dồi dào ngang nhau, kể cả trong trường hợp phản hạt nhân tương đối phức tạp và đối tác vật chất bình thường của nó được nêu ra trong nghiên cứu hiện nay. Trái lại, phản vật chất dường như đã vắng bóng hẳn trong vũ trụ ngày nay.

“Việc tìm hiểu làm thế nào và tại sao có sự át trội của vật chất so với phản vật chất vẫn là một bài toán lớn chưa có lời giải của ngành vật lí”, phát biểu của nhà vật lí Brookhaven, Zhangbu Xu, một trong những tác giả đứng đầu khác. “Một lời giải cho bài toán sẽ đòi hỏi những phép đo của những sai lệch tinh vi khỏi sự đối xứng hoàn hảo giữa vật chất và phản vật chất, và đã có những viễn cảnh tốt đẹp cho những phép đo phản vật chất trong tương lai tại RHIC để giải quyết vấn đề thiết yếu này”.

Trong một va chạm của hạt vàng tại RHIC, hàng trăm hạt phát ra chủ yếu được sinh ra từ chân không lượng tử thông qua sự chuyển đổi năng lượng thành khối lượng tuân theo phương trình nổi tiếng của Einstein E = mc2. Các hạt để lại vết tích mách bảo trong detector STAR. Các nhà khoa học đã phân tích khoảng một trăm triệu va chạm để tìm ra phản hạt nhân mới, nhận ra thông qua sự phân hủy đặc trưng của chúng thành một đồng vị nhẹ của phản helium và một meson pi dương. Tất thảy họ đã tìm được 70 mẫu phản hạt nhân mới.

Đội STAR tìm thấy tốc độ những phản hạt nhân nặng nhất của họ được tạo ra phù hợp với sự trông đợi dựa trên một tập hợp thống kê của những phản quark từ món súp quark và phản quark sinh ra trong các va chạm RHIC. Ngoại suy từ kết quả này, các nhà thực nghiệm tin rằng họ sẽ có thể phát hiện ra những phản hạt nhân còn nặng hơn nữa trong những lần chạy sắp tới của cỗ máy va chạm hạt. Nhà vật lí lí thuyết Stoecker và đội của ông dự đoán rằng những hạt nhân lạ có khối lượng đâu đó gấp đôi khối lượng của trạng thái mới phát hiện ra sẽ đặc biệt bền vững.

Chương trình STAR thuộc RHIC hiện đã lấy lại sự cân bằng để hồi phục những nghiên cứu phản vật chất với những khả năng được cải thiện thêm rất nhiều. Các nhà khoa học hi vọng sẽ tăng dữ liệu của họ lên thêm chừng 10 lần trong vòng vài ba năm tới.