Gluon đã kết dính vật chất lại như thế nào?
Như ta biết gluon đã kết dính các quark lại trong proton, neutron,
hadron.Song nhiều vấn đề đã nảy sinh : ví dụ spin của proton phát sinh từ đâu?
khối lượng proton được hình thành từ những quá trình nào? Đó là những vấn đề
nóng hổi trong việc tìm hiểu vật chất. Sau đây là bài báo của các tác giả Rolf
Ent,Thomas Ullrich, Raju Venugopalan công bố trên tạp chí Scientific American
số tháng 5 / 2015.
Như ta biết hạt kết nối các quark là hạt gluon. Song từ đây
phát sinh nhiều vấn đề.
Nếu nhìn vào trong proton và neutron thì ta bắt gặp một dàn
nhạc giao hưởng đủ các nhạc khí. Các nhạc khí đó là những hạt gồm 3
quark và một số luôn thay đổi gluon cùng với một biển quark (đó là những
cặp quark-phản quark xuất hiện và biến mất liên tục). Proton và neutron không
phải là những hạt duy nhất cấu tạo bằng quark.Còn những hạt gọi là hadron (hạt
nặng).
Mặc dầu đã có nhiều hiểu biết tích lũy được, các nhà vật lý
vẫn chưa giải thích được quark và gluon đã hoạt động như thế nào để tạo nên mọi
tính chất và các cách hành xử của proton, neutron và các hadron.
Ví dụ cộng mọi khối lượng của quark và gluon trong một
proton vẫn không cho ta được khối lượng của proton: đó là bí
ẩn về sự thiếu khối lượng.
Tiếp theo spin của proton (và neutron) đã phát sinh vì
chuyển động của quark và gluon như thế nào: đó là bí
ẩn về sự thiếu giá trị spin.
Sau cùng vì sao sự kết nối các quark bởi gluon lại dựa trên
sắc tích (color charge)?
Nếu các nhà vật lý có thể trả lời những câu hỏi đó thì chúng
ta có thể hiểu được sâu hơn cấu trúc của vật chất nói chung và nói riêng những
cấu hình lạ (exotic) của quark và gluon. Người ta hy vọng sớm làm tan màng
sương này.
Khối lượng của proton từ đâu đến?
Vấn đề khối lượng luôn là vấn đề sâu sắc nhất trong vật
lý.Chúng ta đã hiểu được vì đâu mà quark và lepton thu được khối lượng. Cơ chế
tạo khối lượng là cơ chế hạt Higgs (tìm ra năm 2012 tại LHC (CERN,
Geneve).Nhiều người nghĩ rằng cơ chế Higgs là nguồn gốc của mọi khối lượng
trong vũ trụ song điều này không đúng.
Khối lượng của quark chỉ tạo nên 2 % khối lượng proton (&neutron). Còn lại 98 %
người ta nghĩ là do tác động của gluon. Song làm thể nào mà gluon lại tạo ra
khối lượng cho proton và neutron trong khi gluon lại là một hạt không khối lượng?
Mấu chốt vấn đề nằm ở công thức m=E/c2 của Einstein. Như vậy khối lượng nghỉ m xuất phát từ năng lượng E . Năng lượng của proton chủ yếu được cung
cấp bởi gluon. Vậy phải tính năng lượng của gluon để có được khối lượng proton.Tính
năng lượng của proton rất khó vì năng lượng tổng thể của gluon do nhiều yếu tố
đóng góp.Năng lượng của một hạt tự do là do năng lượng chuyển động song quark
và gluon không tồn tại trong trạng thái riêng lẻ. Chúng chỉ là hạt tự do ở kích
thước thời gian vô cùng nhỏ (< 3
10-24 giây) trước khi kết hợp với những hạt hạ
nguyên tử khác và biến mất khỏi tầm nhìn của chúng ta. Hơn nữa với gluon, năng
lượng không chỉ phát sinh từ chuyển động mà còn từ năng lượng liên kết giữa
chúng với nhau và với quark thành những hạt sống lâu.Để hiểu bí ẩn của khối
lượng phải hiểu được gluon đã “kết dính” các quark và nói chung đã kết dính vật chất như thế
nào.
Hạt Gluon đã kết dính vật chất như thế nào ?
Ở một mức độ nào đó việc hiểu gluon đã kết dính như thế nào
là đơn giản: gluon nắm trong tay tương tác mạnh. Song bản chất lực mạnh lại là
một câu đố .Trong các tương tác thì tương tác mạnh là mạnh hơn cả.Gluon là hạt
chuyển tải tương tác mạnh giống như photon chuyển tải tương tác điện từ.
Song lực mạnh lại tác động theo một kiểu đáng ngạc nhiên.
Đối nghịch với tương tác điện từ lực mạnh không vượt ra khỏi phạm vi hạt nhân
nguyên tử. Điều đó theo lý lẽ chung của vật lý thì gluon phải là hạt có khối
lượng lớn song gluon lại là hạt không khối lượng.
Một đặc điểm của lực mạnh là khi quark càng cách xa nhau thì
lực hút càng mạnh.Hiện tượng này được quan sát năm 1960 tại Trung tâm gia tốc
tuyến tính quốc gia Stanford.
Trong thí nghiệm DIS (Deeply Inelastic Scattering-Tán xạ
Không đàn hồi Sâu) người ta thấy quark hút nhau rất yếu ở khoảng cách ngắn còn
ở khoảng cách lớn người ta không thấy quark vì chúng đã bị hút nhau quá mạnh.
Hiện tượng này giống như hình ảnh hai quark được kết nối với nhau bằng một sợi
dây cao su, càng kéo xa quark thì sợi dây cao su càng bị kéo căng tạo nên sức
kéo lớn hơn.Lực hút giữa hai quark bằng một lực 16 tấn khi chúng ở khoảng cách
bằng kích thước một proton.Nhưng nếu có ngoại lực lớn kéo dãn 2 quark thì dây cao su có thể bị đứt. Và điều này lại
là một bí ẩn mới : gluon chỉ kết dính trong nội vùng hạt nhân nguyên tử mà thôi
, còn xa hơn thì gluon không còn tác dụng.
Hình 1. Mỗi proton
hay neutron trong nguyên tử chứa 3 hạt quark kết dính với nhau bởi hạt
gluon.Ngoài ra nhiều cặp quark-phản quark luôn sinh và hủy song song với hạt
gluon cũng hiện ra rồi biến mất tạo nên một loại bọt lượng tử làm biến đổi cấu
hình hay nói cách khác biến dổi bức tranh trong proton và neutron.Bản nhạc hỗn
độn đó làm nảy sinh nhiều vấn đề cơ bản ví như quark và gluon đã tạo nên khối lượng
và spin của proton và neutron như thế
nào, bằng cách nào gluon kết dính được các quark và giam giữ chúng trong proton
và neutron. Các nhà vật lý đã phát triển lý thuyết và đưa ra những cấu hình bất
thường của quark và gluon.
Vì sao một số hạt có màu sắc?
Trong những năm 1970 các nhà vật lý đã tìm ra QCD ( Quantum
Chromo-Dynamics tức là Sắc Động lực học Lượng tử ) để mô tả tương tác mạnh.
Trong QED (Quantum Electrodynamics tức Điện động lực học lượng) chúng ta có
điện tích còn trong QCD chúng ta có sắc
tích (color), như vậy màu sắc trong QCD đóng vai trò như điện tích trong QED.
Theo QCD quark và gluon đều có sắc tích. Song khác với
photon trong QED gluon có thể tự tương tác với nhau.
Các nhà vật lý cho rằng vì gluon có thể tự tương tác với
nhau cho nên lực mạnh trở nên yếu lúc khoảng cách nhỏ. Gluon có thể sinh cặp
quark-phản quark và cũng có thể sinh cặp gluon và sau đó lại biến thành một
gluon. Thăng giáng quark-phản quark làm
cho lực tương tác giữa hai sắc tích mạnh lên còn thăng giáng gluon-gluon làm
cho lực tương tác ấy yếu đi.
QCD hiện nay là một
lý thuyết trụ cột của SM (Standard
Model-Mô hình chuẩn). Song nhiều khía cạnh của QCD còn chưa được sáng tỏ.
Ví dụ 3 quark trong proton mang 3 màu đỏ, xanh lục và xanh,
nhưng proton lại không có màu.Quark và
phản quark trong hạt pion có màu trong lúc pion không có màu.Hiện tượng không
có màu tương tự như trong QED các hạt không có điện tích.
QCD còn phải giải thích vì sao proton có thể thắng được sức
đẩy điện từ giữa các proton để kết hợp với nhau trong nguyên tử.Việc suy diễn
lý thuyết hạt nhân từ lý thuyết QCD cũng còn nhiều thách thức, vì rằng các
phương trình QCD cực kỳ khó giải ở khoảng cách lớn lúc mà lực tương tác trở nên
rất lớn.
Chúng ta thiếu chứng minh toán học vì sao quark và gluon bị
giam giữ trong những hadron không có màu .Vấn đề giam giữ là một bài toán trị
giá 1 triệu $ ( đó là 1 trong 6 bài toán
do viện Toán Clay đề ra và treo giải 1 triệu $ cho người đưa ra câu trả lời).
Vì sao gluon không nhân lên mãi?
Một hệ quả quan trọng của QCD là số gluon và quark trong một
proton thay đổi rất đáng kể. Ngoài các quark ra, các gluon với số lượng luôn thay đổi luôn
chuyển động như những con đôm đốm sáng lung linh thoắt hiện thoắt mất và nhiều cặp quark-phản quark cũng hình thành
rồi tan biến.
Đó là một “bọt lượng tử “ của những hạt sinh và hủy.
Các nhà vật lý cho rằng khi proton và neutron đạt vận tốc
cực lớn thì gluon trong proton phân thành những cặp gluon với năng lượng nhỏ
hơn . Những gluon con lại tiếp tục phân thành những gluon cháu với năng lượng
nhỏ hơn nữa. Song quá trình nhân này không tiếp tục mãi.
Hình 2.Trạng thái bão
hòa:quá trình hình thành trạng thái bão hòa xảy ra từ trái sang phải trên hình
vẽ , khi proton và neutron được gia tốc đến gần tốc độ ánh sáng thì gluon tự
nhân lên.Gluon tách thành cặp gluon con với năng lượng nhỏ hơn.Gluon con lại
tách thành gluon cháu với năng lượng nhỏ hơn nữa. Cuối cùng proton đạt đến giới
hạn chứa cực đại (maximum occupancy) –trạng thái này gọi là trạng thái ngưng tụ
màu thủy tinh (color glass condensate).Người ta hy vọng đạt trạng thái này
trong những máy gia tốc nhưng hiện nay thì chưa làm được.
Nếu gluon tiếp tục sinh sản như vậy thì proton phải vỡ tan
(collapse) và không ổn định
Song vật chất là ổn định vậy chắc có một cơ chế nào đó hãm
phanh quá trình nhân đó (runaway cascade) .Dường như thiên nhiên tạo ra cơ chế
hãm phanh đó khi các gluon quá nhiều trong proton.Những gluon với năng lượng
nhỏ hơn lại tái hợp thành những gluon
năng lượng lớn hơn.Khi sự tăng trưởng gluon chậm lại gluon đạt đến trạng thái
dừng không phân chia và cũng không tái
hợp nữa: đó là trạng thái gluon bão hòa. Trạng thái này được gọi là ngưng tụ màu thủy tinh (color glass
condensate).
Danh từ thủy tinh (glass) được vay
mượn từ vật lý các vật liệu hành xử như chất rắn trong một thời gian ngắn nhưng
lại hành xử như chất lỏng trong một thời gian dài.Từ ngưng tụ chỉ rằng mật độ
gluon rất lớn.
Chúng ta chưa hiểu biết nhiều về trạng thái này lắm.Cần tiến
hành những thí nghiệm DIS năng lượng cao hơn để phát hiện trạng thái cực đoan
này của gluon.Có phải chăng trường lực hạn chế số gluon trong ngưng tụ màu thủy tinh cũng chính
là trường giam giữ các proton?
Nếu quan sát trường đó từ nhiều bối cảnh khác nhau ta có thể
có thêm ánh sáng để hiểu vấn đề gluon đã tạo ra nó như thế nào.
Spin của proton từ đâu đến?
Một bí ẩn tiếp theo là quark và gluon đã đóng góp vào spin
của proton như thế nào?
Thực nghiệm chứng minh rằng quark chỉ đóng góp 30 %
vào spin của proton.
Vậy phần spin còn lại
do ở đâu?
Bức tranh nhiều vật của biển gluon và quark gợi ý ngay rằng
gluon có đóng góp vào spin của proton.Các thí nghiệm phá vỡ (smashing) proton phân cực với spin cùng chiều hoặc ngược
chiều chuyển động thành những proton phân cực khác chứng tỏ rằng spin của gluon
đóng góp 20% cho spin proron . Như vậy vẫn
thiếu 50 % spin.
Chuyển động các thiên thể gợi ý cách giải quyết : moment góc
của thái dương hệ gồm chuyển động quay quanh trục của các hành tinh + chuyển
động quỹ đạo quanh mặt trời.
Quark ,phản quark và gluon cũng có chuyển động quỹ đạo tương
tự.
Nhiều nhà vật lý nghĩ rằng các đóng góp bổ sung vào spin của
proton là: moment quỹ đạo của quark, spin và moment của gluon.
Các trạng thái lạ (exotic)của vật chất
Lý thuyết QCD gợi ý
rằng có tồn tại những trạng thái lạ (exotic) không màu như là “glue-ball” (chỉ
gồm bằng gluon mà thôi),”phân tử “ gồm 2 cặp quark-phản quark và trạng thái gồm
quark-phản quark-gluon.Thực nghiệm đã phát hiện tetraquark .
Hình 3. Quark và
gluon có thể kết hợp với nhau thành những cấu hình bất thường:bên trái là hạt
bóng keo (glueball) chỉ có gluon, chính giữa là hạt lai
quark-phản quark-gluon ,bên phải là hạt tứ quark (tetraquark)
Các nhà vật lý cũng tìm ra một trạng thái cực đoan là plasma quark-gluon.Trạng thái này phát
sinh lúc xảy ra va chạm của hai hạt nhân ở tốc độ gần tốc độ ánh sáng.Các nhà
vật lý cho rằng các proton và neutron với tốc độ cao trong hai hạt nhân va chạm
nhau thì ngưng tụ màu thủy tinh (color
glass condensate) bị phá vỡ do đó kết thúc sự giam cầm quark và gluon và
giải thoát năng lượng của ngưng tụ (condensate) và tạo nên một nhóm quark và
gluon. Plasma này là loại plasma nóng nhất được tạo trên trái đất với nhiệt độ
cao hơn bốn tỷ tỷ độ Celsius . Điều đáng ngạc nhiên là vật liệu này là chất
lỏng chảy mà không có trở lực-ít nhất 20 lần nhỏ hơn trở lực của nước.
Plasma quark-gluon có sự tương tự đặc biệt với Vũ trụ lúc
nguyên thủy.
Hình 4. Mô hình Vũ
trụ nguyên thủy.Khi vũ trụ còn sơ khai quá nóng để proton , neutron có thể hình
thành.Quark và gluon bay quanh hỗn độn trong một plasma quark-gluon. Khi nghiên
cứu quá trình lạnh dần của plasma này các nhà vật lý có thể hiểu được hành vi
của quark và gluon và các bước tiến hóa của vũ trụ lúc nguyên thủy.
Các nhà vật lý đã tạo nên plasma đó ở phòng thí nghiệm quốc
gia Brookhaven (Brookhaven National Laboratory’s Relativistic Heavy Ion
Collider) và ở LHC tại CERN, họ đã quan
sát được chất lỏng gần như lý tưởng (perfect fluid).Nhờ quan sát plasma này
người ta có thể hiểu được sự tiến hóa của vũ trụ trong giai đoạn nguyên thủy.
Khi tạo được sự phá hủy của proton và neutron thành plasma
theo con đường đó các nhà vật lý có thể nghiên cứu quá trình ngược lại quá
trình giam giữ với hy vọng tìm ra các bí ẩn bằng cách nào quark và gluon đã kết
dính với nhau.
Những nghiên cứu tiếp theo
Một cách lý tưởng mà nói các nhà vật lý muốn ánh xạ đầy đủ
được vị trí, chuyển động và
spin của gluon và quark trong proton và neutron. Một ánh xạ
đầy đủ như vậy sẽ giúp họ tính được sự đóng góp của chúng vào khối lượng và
spin của hạt proton và neutron và làm sáng tỏ các hoạt động của quark và gluon
trong việc tạo thành proton và neutron.
Để có được những bức tranh đó cần một kính hiển vi
femtoscope quark-gluon (một kính hiển vi
(microscope) có thể nhìn thấy vũ trụ ở kích thước nhỏ bằng phần nghìn
bán kính của proton (as small as 1,000th the radius of a proton).
Tại Mỹ Jefferson Lab and Brookhaven đang chuẩn bị xây dựng
kính hiểm vi femtoscope để nghiên cứu va chạm electron với proton phân cực và
với hạt nhân chì.Ở đây các hạt đều được gia tốc đến tốc độ gần tốc độ ánh sáng.
Máy va chạm EIC
(Electron-Ion Collider-Máy Va chạm Electron-Ion) sẽ là công cụ lý tưởng thực
hiện dự án kính hiển vi femtoscope nhằm quan sát quá trình kết dính các quark
trong cấu trúc của proton, neutron và hạt nhân.
Nếu chúng ta phá vỡ
proton thì chúng ta đã tiêu hủy chuyển động quỹ đạo của gluon vậy không quan
sát được chuyển động này.Cho nên máy EIC là cần thiết để nghiên cứu hiện tượng
kết dính quark của gluon mà không phá vỡ proton.
Như vậy chúng ta đang
trên quá trình nghiên cứu các hạt trên bình diện hành xử tập thể (collective),
điều này tương tự như quá trình nghiên cứu hành xử tập thể trong siêu dẫn của
vật lý các môi trường đông đặc- nhà vật lý Venugopalan đã phát biểu ấn tượng
như vậy.Chúng ta ở đây nghiên cứu vật lý vật chất đông đặc bằng lý thuyết tương
tác mạnh QCD.
Hiện nay chúng ta còn chưa lấp được các lỗ trống trong kiến
thức về vấn đề gluon đã kết dính vật
chất như thế nào.
Trong vòng 40 năm người ta hy vọng
hiểu được các bí ẩn ở mức cơ bản nhất:
vật chất đã được tạo nên như thế nào.
CC.biên dịch
Nhận xét
Đăng nhận xét