Tiến thêm một bước trong việc khám phá thế giới bên trong hạt nhân nguyên tử

Chúng ta đều biết các proton và neutron tạo nên hạt nhân nguyên tử. Các hạt proton và neutron lại được tạo thành từ bộ ba hạt cơ bản thậm chí còn nhỏ hơn được gọi là quark.

Một nghiên cứu mới hiện đã chỉ ra chi tiết chưa từng có về sự phân bố của các loại quark khác nhau bên trong một proton. Điều này giúp mở rộng hiểu biết của chúng ta về phần cực kỳ quan trọng của nguyên tử.

Mặc dù thế giới lượng tử bên trong các proton là một mớ hỗn độn sôi sục của các quark và các phản quark xuất hiện và biến mất, nhưng có một sự thống trị chung của hai vị so với các loại khác; hai quark lên và một quark xuống.

Một nhóm các nhà nghiên cứu do nhà vật lý lý thuyết Shohini Bhattacharya là chủ nhiệm, từ Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven, đã tạo ra bản đồ có độ phân giải cao nhất từ trước đến nay về hai hướng của quark.

Nhà vật lý lý thuyết Swagato Mukherjee từ Phòng thí nghiệm Brookhaven cho biết: “Các tính toán của chúng tôi cho thấy quark lên được phân bố đối xứng hơn và trải rộng trên một khoảng cách nhỏ hơn so với quark xuống".

Phát hiện của các nhà nghiên cứu gợi ý rằng các quark lên và quank xuống ảnh hưởng khác nhau đến proton về nội năng, spin và nhiều tính chất khác. Điều đó sẽ giúp ích cho việc phân tích các thí nghiệm vật lý cơ bản trong tương lai.

Để dễ hình dung, bạn có thể coi điều này giống như một nghiên cứu về một túi bi: túi là proton và các quark là những viên bi được giữ cố định một cách lỏng lẻo bởi các hạt 'gluon'. Nghiên cứu đã vạch ra các tương tác giữa các viên bi này với nhau.

Một loạt các kỹ thuật phân tích tiên tiến đã được sử dụng để chiếu ánh sáng tán xạ vào các hạt và tính toán sự thay đổi động lượng của chúng. Trước đây, những tính toán như vậy đã giả định rằng các thay đổi về động lượng sẽ bằng nhau trong suốt quá trình, nhưng tính toán của nhóm lại xác nhận điều ngược lại.

Điều này cho phép họ đo nhiều sự kiện tán xạ hơn với độ chính xác cao hơn mà không cần tăng sức mạnh tính toán. Sau đó, họ áp dụng những phát hiện chính xác hơn của mình vào các chương trình mô phỏng để tìm hiểu sâu hơn.

Bhattacharya nói: “Để có được một bản đồ chi tiết, chúng ta cần phân tích nhiều tương tác tán xạ, liên quan đến các giá trị khác nhau từ sự thay đổi động lượng của proton.

Thật đáng kinh ngạc, phản ứng của các quark lên và xuống chiếm ít hơn 70 phần trăm spin của proton. Điều này cho thấy các gluon đang đóng một vai trò lớn hơn so với giả định trước đây".

Một trong những kỹ thuật quan trọng được sử dụng là sắc động lực học lượng tử mạng (QCD), đặt các quark trên cấu trúc 4D để mô phỏng chính xác chúng với một chút trợ giúp từ siêu máy tính. Tất cả các tương tác có thể xảy ra đều được đánh giá và sau đó xác định các xác suất khác nhau của mỗi tương tác.

Cuối cùng, nhóm đã có thể thể hiện hình ảnh “túi bi” này với độ phân giải lớn hơn khoảng 10 lần so với những lần thực hiện trước đó. Khi nói đến hoạt động vật lý cơ bản như thế này, độ phân giải cao hơn có thể tạo ra sự khác biệt lớn.

Giới khoa học vẫn đang tìm hiểu thêm về hạt quark và cách các hạt cơ bản này thiết lập nền tảng cho rất nhiều thứ chúng ta thấy trong vũ trụ.

Các thí nghiệm tiếp theo dự kiến sẽ sử dụng các tính toán mới làm cơ sở đã được lên kế hoạch cho máy gia tốc chùm tia điện tử liên tục (CEBAF) và máy va chạm Electron-Ion (EIC). Chúng sẽ giúp các nhà khoa học xem xét các quy luật cơ bản của tự nhiên và vật chất để từ đó xác nhận các mô phỏng được tạo ra bởi nghiên cứu này.

Nhà vật lý Joshua Miller, từ Đại học Temple cho biết: “Lý thuyết và thí nghiệm bổ sung phải được kết hợp để có được hình ảnh hoàn chỉnh của proton”.

Quark là một loại hạt cơ bản sơ cấp và là một thành phần cơ bản của vật chất. Các quark kết hợp với nhau tạo nên các hạt tổ hợp còn gọi là các hadron, với những hạt ổn định nhất là proton và neutron – những hạt thành phần của hạt nhân nguyên tử. Do một hiệu ứng gọi là sự giam hãm màu, các quark không bao giờ được tìm thấy đứng riêng rẽ; chúng chỉ có thể tìm thấy bên trong các hadron. Với lý do này, rất nhiều điều về các quark được biết đến đã được dẫn ra từ các hadron chúng tổ hợp lên.

Có sáu loại quark, còn được biết đến là vị: lên (u), xuống (d), duyên (c), lạ (s), đỉnh (t), và đáy (b). Các quark lên (u) và quark xuống (d) có khối lượng nhỏ nhất trong các quark. Các quark nặng hơn nhanh chóng biến đổi sang các quark u và d thông qua một quá trình phân rã hạt: sự biến đổi từ một trạng thái khối lượng cao hơn sang trạng thái khối lượng thấp hơn. Vì điều này, các quark u và d nói chung là ổn định và thường gặp nhất trong vũ trụ, trong khi các quark duyên (c), lạ (s), đỉnh (t), và đáy (b) chỉ có thể được tạo ra trong va chạm năng lượng cao (như trong các tia vũ trụ và trong các máy gia tốc hạt).

Các quark có rất nhiều tính chất nội tại, bao gồm điện tích, màu tích, spin, và khối lượng. Các quark là những hạt cơ bản duy nhất trong mô hình chuẩn của vật lý hạt đều tham gia vào bốn tương tác cơ bản (điện từ, hấp dẫn, mạnh, và yếu), cũng như là các hạt cơ bản có điện tích không phải là một số nguyên lần của điện tích nguyên tố. Đối với mỗi vị quark có tương ứng với một loại phản hạt, gọi là phản quark, mà chỉ khác với các quark ở một số tính chất có độ lớn bằng nhau nhưng ngược dấu.

Thế giới hạt quark

Anh Tú