Khoa học tự nhiên

Glueball - Hạt cơ bản của lực hạt nhân (28/10/2015)

Các nhà khoa học từ Đại học Viên (Áo) tin rằng họ có thể đã phát hiện ra glueball, một hạt gồm thuần túy lực hạt nhân.

Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học đã tìm kiếm cái gọi là "glueballs" và giờ đây, cuối cùng, dường như họ cũng đã tìm thấy nó. Glueball là một hạt kỳ lạ, được tạo thành hoàn toàn từ các gluon - những hạt "dính" để giữ các hạt cơ bản trong hạt nhân với nhau. Glueball không ổn định và chỉ có thể phát hiện được một cách gián tiếp bằng cách phân tích sự phân rã của chúng. Tuy nhiên, quá trình phân rã này vẫn chưa được hiểu biết một cách đầy đủ.

Nucleon bao gồm (bên trái) các hạt quark (hạt vật chất) và gluon (hạt lực). Glueball (bên phải) được tạo thành hoàn toàn từ các gluon.

Giáo sư Anton Rebhan và Frederic Brunner từ Đại học Viên mới đây đã sử dụng một phương pháp lý thuyết mới để tính toán phân rã glueball. Kết quả của họ rất khớp với dữ liệu từ các thí nghiệm máy gia tốc hạt. Đây là bằng chứng mạnh mẽ rằng một cộng hưởng được gọi là "f0 (1710)", đã được thấy trong các thí nghiệm khác nhau, thực tế là glueball đang được tìm kiếm bấy lâu. Các kết quả thí nghiệm sâu hơn dự kiến sẽ có trong vài tháng tới.

Lực cũng là hạt

Proton và neutron gồm các hạt cơ bản thậm chí còn nhỏ hơn, gọi là hạt quark. Các quark liên kết với nhau bởi lực hạt nhân mạnh. "Trong vật lý hạt, mỗi lực được truyền bởi một loại hạt lực đặc biệt, và hạt lực của lực hạt nhân mạnh là gluon", Anton Rebhan giải thích.

Gluon có thể được xem như là phiên bản phức tạp hơn của photon. Các photon không có khối lượng chịu trách nhiệm cho các lực điện từ, trong khi tám loại gluon khác nhau cùng đóng vai trò tương tự cho lực hạt nhân mạnh. Tuy nhiên, ở đây có một sự khác biệt quan trọng: bản thân các gluon là đối tượng chịu lực của chính mình, còn các photon thì không như vậy. Đây là lý do tại sao không có những trạng thái ràng buộc của các photon, mà chỉ hạt gồm các gluon ràng buộc, thuần túy lực hạt nhân, mới có.

Năm 1972, ngay sau khi lý thuyết về quark và gluon được xây dựng, các nhà vật lý Murray Gell-Mann và Harald Fritsch đã suy đoán về các trạng thái ràng buộc có thể của các gluon thuần túy (ban đầu được gọi là "gluonium", giờ đây sử dụng thuật ngữ "glueball"). Một số hạt đã được tìm thấy trong các thí nghiệm máy gia tốc hạt được coi là các ứng cử viên sáng giá cho glueball, nhưng chưa có sự đồng thuận khoa học về việc có hay không một trong những tín hiệu này thực tế có thể là hạt bí ẩn được tạo nên chỉ từ lực. Thay vì một glueball, các tín hiệu được tìm thấy trong các thí nghiệm cũng có thể là một sự kết hợp của các hạt quark và phản quarks. Các glueball tồn tại quá ngắn để có thể phát hiện trực tiếp. Nếu tồn tại, chúng phải được xác định bằng cách nghiên cứu sự phân rã của chúng.

"Thật không may, các dạng phân rã của glueballs không thể tính toán được một cách chặt chẽ", Anton Rebhan nói. Các mô hình tính toán đơn giản hóa đã chỉ ra rằng có hai ứng cử viên thực tế cho glueball: các meson gọi là f0 (1500) và f0 (1710). Trong một thời gian dài, meson thứ nhất được coi là ứng cử viên hứa hẹn nhất. Meson sau có khối lượng cao hơn, phù hợp hơn với các mô phỏng máy tính, nhưng khi phân rã, nó tạo ra nhiều quark nặng (gọi là "quark lạ"). Đối với nhiều nhà vật lý hạt, điều này có vẻ không hợp lý, vì các tương tác gluon thường không phân biệt giữa các quark nặng hơn và nhẹ hơn.

Anton Rebhan và nghiên cứu sinh tiến sĩ của mình Frederic Brunner vừa qua đã có bước tiến quan trọng trong việc giải bài toán này bằng một phương pháp tiếp cận khác. Chúng ta biết rằng, giữa các lý thuyết lượng tử mô tả hành vi của các hạt trong thế giới ba chiều ta và một số loại lý thuyết hấp dẫn nhất định trong không gian nhiều chiều hơn có những kết nối cơ bản. Điều này có nghĩa là một số câu hỏi vật lý lượng tử có thể được trả lời bằng cách sử dụng công cụ từ vật lý hấp dẫn.

"Tính toán của chúng tôi cho thấy rằng thực sự có thể cho các glueball phân rã chủ yếu thành các quark lạ", Anton Rebhan nói. Đáng ngạc nhiên, mô hình tính toán phân rã thành hai hạt nhẹ hơn cực kỳ phù hợp với mô hình phân rã đo được đối với f0 (1710). Bên cạnh đó, các phân rã khác thành nhiều hơn hai hạt là cũng có thể. Tốc độ phân rã của chúng cũng đã được tính toán.

Cho đến nay, các phân rã glueball thay thế này vẫn chưa được đo, nhưng trong vài tháng tới, hai thí nghiệm tại Large Hadron Collider tại CERN (TOTEM và LHCb) và một thí nghiệm máy gia tốc ở Bắc Kinh (BESIII) được kỳ vọng sẽ cung cấp những dữ liệu mới. "Những kết quả này sẽ rất quan trọng cho lý thuyết của chúng tôi", Anton Rebhan nói. "Đối với các quá trình đa hạt này, lý thuyết của chúng tôi dự đoán tốc độ phân rã hoàn toàn khác với dự đoán của các mô hình đơn giản khác. Nếu các số đo trùng khớp với những tính toán của chúng tôi, thì đó sẽ là bằng chứng hùng hồn cho f0 (1710) là một glueball”. Và ngoài ra, nó một lần nữa cho thấy rằng lực hấp dẫn nhiều chiều hơn có thể được sử dụng để trả lời các câu hỏi từ vật lý hạt - theo cách nào đó sẽ là một thành công lớn nữa của Lý thuyết tương đối rộng của Einstein, năm nay vừa tròn 100 tuổi.

Nguồn: vista.vn (Theo Scitechdaily)