Máy gia tốc hạt lớn (LHC) từng phát hiện ra hạt Higgs boson vào năm 2012, một khám phá được coi là đặt hòn đá tảng lên việc phân loại các hạt cơ bản. Nhưng LHC cũng là nơi tìm thấy hàng tá hạt phi cơ bản khác mà người ta gọi là các hadron – những thứ giống như các proton và neutron tạo ra từ các hạt quark.

Hardon mới nhất xuất hiện tại hội nghị của Hội Vật lý châu Âu, khi nhà vật lý hạt Ivan Polyakov ở trường đại học Syracuse New York tiết lộ về một hardon lạ chưa từng được biết đến trước đây được làm từ bốn hạt quark. Nó mang lại số lượng hardon ở LHC lên con số 62, theo  Patrick Koppenburg, một nhà vật lý hạt làm việc cùng Nikhef,  Viện nghiên cứu Vật lý hạ nguyên tử quốc gia Hà Lan ở Amsterdam. “Đây là những hạt thế giới lần đầu phát hiện ra,” Koppenburg nói. Anh giờ làm việc tại CERN, nơi đặt LHC.

“Cung điện” đặt các hạt, hay còn gọi là Mô hình chuẩn, miêu tả những khối cơ bản của vật chất và các lực cơ bản tác động lên chúng. Nó ba gồm sáu hương của quark, sáu phản hạt của chúng cùng nhiều hạt cơ bản khác, bao gồm các electron và photon. Mô hình chuẩn cũng bao gồm các quy tắc về cách các hạt quark hình thành trên cơ sở tổ hợp các hadron. Các hạt quark được gắn kết với nhau bằng lực tương tác hạt nhân mạnh, môt jtrong bốn lực cơ bản. Hai quark phổ biến nhất trong tự nhiên là quark lên và quark xuống; những tổ hợp có thể của chúng bao gồm các neutron (một lên và một xuống) và proton (hai lên và một xuống).

Các proton là các hadron được biết ở trạng thái bền – các neutron chỉ bền khi chúng được đưa vào hạt nhân nguyên tử. Tất cả các hadron hình thành một cách nhanh chóng, tuf những va chạm của các hạt khác, và phân rã chỉ trong một giây. Vì vậy LHC tạo ra những dạng mới của hadron bằng những va chạm năng lượng cao giữa các proton.

Bộ tứ quark 

Phần lớn các dạng hadron mới tại LHC đều được phát hiện trên LHCb, một trong bốn máy dò khổng lồ trong đường hầm hình tròn dài 27 km của LHC, và người ta bất ngờ trướchạt do Polyakov loan báo. Trích lục dữ liệu thu được từ những va chạm proton, Polyakov và đồng nghiêp là Vanya Belyaev tại Viện nghiên cứu Vật lý lý thuyết và thực nghiệm ở Moscow đã tìm thấy dấu hiệu của một ‘tetraquark’ – một hardon bốn hadron mang tên Tcc+.

Các tetraquark cực hiếm: phần lớn các hadron đã biết đều chỉ làm từ hai hoặc ba quark. Tetraquark đầu tiên do Tổ chức nghiên cứu Máy gia tốc năng lượng cao (KEK) ở Tsukuba, Nhật Bản tìm thấy vào năm 2003, và LHCb tìm thấy phần lớn trong chỗ còn lại. Nhưng hạt mới quả thực là một kỳ dị. Các tetraquark trước dường như là các cặp hệ đôi quark thu hút lẫn nhau như những nguyên tử trong một phân tử nhưng nhà vật lý lý thuyết Marek Karliner cho rằng kẻ mới nhất có thể là một bộ tứ được gắn kết một cách chặt chẽ. “Đây là một cú lớn. Một loại mới chứ không phải là dạng phân tử hadron. Đây là đại diện đầu tiên của loại này”, theo đánh giá của Karliner, người làm việc tại trường đại học Tel Aviv ở Israel và giúp dự đoán sự tồn tai của một hạt với các đặc tính tương tự như Tcc+ vào năm 2017.

Trong tự nhiên, các tetraquark có lẽ tồn tại chỉ trong thuở bình minh Vũ trụ, khi tất cả mọi vật chất được nén lại trong một không gian vô cùng chặt, Belyaev nói. Nhưng việc tạo ra chúng cũng giúp các nhà vật lý thử nghiệm các lý thuyết của họ về các hạt tương tác với nhau thông qua lực tương tác mạnh như thế nào.

Dữ liệu tiết lộ các đặc tính của hạt mới chính xác đến mức Belyaev ngạc nhiên. “Phản ứng đầu tiên của tôi là đây có phải là lỗi của mình không,” ông nói. Ví dụ khối lượng của hạt, vốn gấp khoảng bốn lần so với một proton, đã chính xác tới 3.000 lần so với khám phá ra hạt Higgs boson. Belyaev cho biết thêm là Tcc+ có thể có trong dữ liệu của LHC từ nhiều năm trước nhưng ông và đồng nghiệp ở LHCb không thể tìm ra, cho đến bây giờ, bởi vì họ có một danh sách rất dài các hạt khác để tìm kiếm.

Những khả năng vô hạn

Việc tìm kiếm những hadron mới sẽ còn tiếp tục. Hàng tá sự kết hợp của các hạt quark co thể làm tăng thêm số lượng các hadron. Karliner cho biết có 50 hardon có được được tạo thành từ hai quark, tuy nhiên chỉ có một trong số này đã được quan sát, và 75 hạt có thể tạo thành từ ba quark (và nhiều bộ ba phản quark), khoảng gần 50 trong số chúng đã được quan sát. “Tất nhiên chúng tôi cũng muốn thấy các hạt khác nhưng thật khó để tạo ra chúng”, Karliner nói.

Dẫu sau, với mỗi việc tổ hợp của quark, có một số lượng giới hạn ‘các trạng thái kích thích’ nặng hơn – ví dụ được phân biệt bằng spin của chúng. Nhiều hạt trong số chúng đã được phát hiện bằng thực nghiệm, và trên thực tế là phần lớn các hạt của Koppenburg đều ở các trạng thái kích thích. “Ai biết có bao nhiêu trạng thái được dấu kín và nằm trong dữ liệu của một máy tính”, Koppenburg, người giống như Polyakov và Belyaev, đều là thanh viên của nhóm hợp tác LHCb collaboration.

Nhưng ông cũng tự hỏi là liệu tất cả những khám phá đó có thể được coi là những hạt rời rạc không. “Tôi vẫn được thuyết phục là chúng ta cần định nghĩa tốt hơn về hạt”, ông nói.

Nguồn: https://www.nature.com/articles/d41586-021-02174-6

https://www.athina984.gr/en/2021/08/11/anakalyfthike-ston-megalo-epitachynti-toy-cern-akomi-ena-spanius-exotic-somatidio-me-4-koyark/