Sau 20 năm tìm kiếm, các nhà khoa học lần đầu quan sát được 'vệt khuếch tán' trong plasma quark-gluon

Theo tin từ IT ngày 19 tháng 7, sau hơn hai mươi năm tìm kiếm, các nhà khoa học cuối cùng đã lần đầu tiên quan sát được một hiện tượng đặc biệt tồn tại trong "súp" hạt nhiệt độ cao, mật độ cao. Loại "súp" hạt này có trạng thái tương tự như vật chất tràn ngập vũ trụ ngay tại thời điểm xảy ra Big Bang. Khám phá này được kỳ vọng sẽ giúp các nhà vũ trụ học hiểu rõ hơn về quá trình tiến hóa của vũ trụ trong môi trường nhiệt độ và mật độ cực đoan thời kỳ đầu.

Máy gia tốc hạt mạnh nhất thế giới — Large Hadron Collider (LHC), thường xuyên tạo ra loại vật chất được gọi là "quark-gluon plasma" này. Các nhà nghiên cứu tạo ra các chùm hạt được gọi là "jet" bằng cách cho hạt nhân của các nguyên tố nặng như chì va chạm với tốc độ cao, và chính trong quá trình này, loại "súp" hạt nóng bỏng và đậm đặc đó đã được hình thành.

Đây là phương pháp cần thiết để nghiên cứu quark-gluon plasma, bởi trong vũ trụ hiện đại, quark và gluon (gọi chung là "parton") chưa bao giờ tồn tại ở trạng thái tự do mà luôn liên kết với nhau để tạo thành các hạt như proton, neutron. Do đó, chỉ bằng cách sử dụng năng lượng sinh ra từ việc cho các nguyên tử va chạm với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng, chúng ta mới có thể giải phóng các parton này để hình thành trạng thái vật chất nhiệt độ cao được gọi là "quark-gluon plasma".

Khi các hạt đi xuyên qua quark-gluon plasma, chúng sẽ giải phóng năng lượng và động lượng vào môi trường này. Về lý thuyết, quá trình này sẽ tạo ra một vệt sóng trong "súp" hạt nguyên thủy, tương tự như vệt nước để lại sau khi tàu thuyền di chuyển trên đại dương. Tuy nhiên, trong suốt hai thập kỷ qua, các nhà nghiên cứu vẫn chưa thể quan sát trực tiếp hiện tượng được gọi là "diffusion wake" này.

Cho đến tận bây giờ, tình hình mới có sự thay đổi.

"Việc quan sát và định lượng diffusion wake trong quark-gluon plasma đã mở ra cánh cửa mới cho việc nghiên cứu chính xác các đặc tính và động lực học của loại vật chất này, đồng thời cung cấp những manh mối mới để hiểu về sự tiến hóa của vũ trụ sơ khai", Raghunath Pradhan, trưởng nhóm nghiên cứu tại Đại học Illinois Chicago (UIC), cho biết.

Phương pháp mới để tìm kiếm vệt sóng hạt

Trước đây, phương pháp chính mà các nhà khoa học sử dụng để tìm kiếm tín hiệu dao động này là tận dụng các sự kiện tại Large Hadron Collider, nơi đồng thời tạo ra các jet và một loại hạt gọi là "Z boson".

Mặc dù phương pháp này từng cung cấp một số bằng chứng về sự tồn tại của vệt sóng hạt, nhưng tín hiệu tạo ra rất yếu và dễ bị che lấp bởi các hiệu ứng khác liên quan đến jet. Do đó, độ tin cậy thống kê của các kết quả quan sát này không đủ để được công nhận là một phát hiện chính thức.

Để tìm kiếm tín hiệu vệt sóng này, nhóm nghiên cứu đã áp dụng một phương pháp khác. Họ sử dụng Large Hadron Collider để cho hai hạt nhân chì va chạm, tạo ra các chùm hạt (jet) theo hướng ngược nhau; loại sự kiện này được gọi là "dijet event".

Cấu trúc sự kiện độc đáo này cho phép các nhà nghiên cứu tách biệt tín hiệu vệt sóng ra khỏi nhiễu xung quanh một cách dễ dàng hơn.

Kết quả đo đạc của nhóm nghiên cứu cho thấy, phía sau hướng chuyển động của jet, số lượng hạt giảm đi đáng kể, đặc biệt là ở vùng động lượng thấp. Đây chính là đặc điểm mà lý thuyết dự đoán về diffusion wake phải thể hiện.

Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng, tín hiệu vệt sóng rõ ràng nhất xuất hiện trong các quá trình va chạm chì-chì mang tính tập trung cao hơn, vì loại va chạm này có thể tạo ra nhiều quark-gluon plasma hơn.

"Thành quả quan sát này là kết quả cuối cùng của nhiều thập kỷ nỗ lực tìm kiếm hiện tượng vệt sóng. Lý thuyết đã dự đoán hiện tượng này từ hơn 20 năm trước, nhưng nó luôn rất khó để được phát hiện trong dữ liệu thực nghiệm", Olga Evdokimov, một trưởng nhóm nghiên cứu khác tại Đại học UIC, cho biết.

IT lưu ý rằng, bài báo nghiên cứu của nhóm đã được tạp chí *Physical Review Letters* chấp nhận đăng tải vào ngày 25 tháng 6.

Tuyên bố quảng cáo: Các liên kết ngoài trong bài viết (bao gồm nhưng không giới hạn ở siêu liên kết, mã QR, mật khẩu, v.v.) được sử dụng để truyền tải thêm thông tin, tiết kiệm thời gian sàng lọc, kết quả chỉ mang tính tham khảo. Tất cả các bài viết của IT đều bao gồm tuyên bố này.