Một bài báo xuất hiện ngày 20/7/2012 trên tờ Khoa học (Science) diễn tả những khám phá mang tính cách mạng hóa của Máy va chạm ion nặng tương đối tính (RHIC) tại Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven của Bộ Năng lượng Mĩ, cùng với chương trình ion lớn tại Máy va chạm lớn Hadron (LHC) ở châu Âu, và những câu hỏi hấp dẫn sẽ định hướng cho nghiên cứu ở cả hai bên bờ Đại Tây Dương.
Bài báo, với những chi tiết sẽ giúp làm sáng tỏ về vật chất hạt nhân nóng lan khắp vũ trụ sơ khai, là một bài mở đầu cho những khám phá mới nhất các nhà khoa học từ cả hai phòng nghiên cứu sẽ công bố tại buổi họp tiếp theo của các nhà vật lý về nghiên cứu này – Vật chất quark 2012, 12-18 tháng 8 tại Washington D.C.
“Vật chất hạt nhân ở vũ trụ ngày nay ẩn giấu trong hạt nhân nguyên tử và các sao neutron,” là lời bắt đầu của hai tác giả, Barbara Jacak, giáo sư vật lý tại Đại học Stony Brook và phát ngôn viên cho thí nghiệm PHENIX tại RHIC, và Berndt Mueller, nhà vật lý học giả thiết tại Đại học Duke. Các sự va chạm giữa các ion lớn trong các máy như RHIC, đi vào hoạt động từ 2000, và gần đây hơn, máy LHC, khám phá lĩnh vực bị ẩn giấu trước kia bằng cách tái tạo những điều kiện khắc nghiệt của vũ trụ sơ khai trên phạm vi kính hiển vi. Nhiệt độ đạt được trong những vụ va chạm này – hơn 4 tỉ tỉ độ C, nhiệt độ cao nhất từng được tạo ra trong một phòng thí nghiệm – nhanh chóng phóng thích các quark trong nguyên tử và gluon tạo nên các proton và neutron của các hạt nhân nguyên tử bình thường, giúp các nhà khoa học nghiên cứu tính chất và phản ứng của chúng.
“Các quark và gluon giữ chúng lại với nhau giống như những vật chất cơ bản của mọi vật chất nhìn thấy được tồn tại trong vũ trụ ngày nay – từ các ngôi sao, các hành tinh, đên con người,” Jacak phát biểu. “Hiểu được sự tiến hóa của vũ trụ vì vậy đòi hỏi hiểu biết về cấu trúc và động lực học của những phân tử này ở thể sơ khai nhất của chúng, một loại súp nguyên thuỷ được biết đến như plasma quark-gluon (QGP).”
RHIC là máy đầu tiên để diễn tả sự hình thành của quark-gluon ở dạng plasma, và xác định rõ các thuộc tính bất ngờ của nó. Thay vì một khí lí tưởng gồm các quark và gluon yếu tương tác với nhau, QGP được phát hiện ở RHIC giống như một chất lỏng gần như không có ma sát. Tính dính cực thấp của dạng vất chất này (gần mức thấp nhất có thể theo lý thuyết), khả năng của nó để dừng các tia phân tử năng lượng trên đường đi, và sự nhanh chóng đạt nhiệt độ cân bằng rất cao đều gợi ý rằng các thành phần cấu tạo nên chất lỏng này tương tác khá mạnh mẽ, hoặc được gắn liền với nhau.
“Hiểu được một hệ thống được gắn lại hay liên kết một cách mạnh mẽ là nền tảng kiến thức của nhiều ngành nhỏ hơn của vật lý,” các tác giả viết. Các khám phá tại RHIC có những mối liên hệ bất ngờ tới plasma bình thường, vật chất siêu dẫn, và kể cả một số nguyên tử ở hai đầu ngược nhau của thang nhiệt độ - một phần nhỏ của một độ trên mức không độ - cũng phản ứng khi bị giới hạn trong một cái bẫy nguyên tử giống như một chất lỏng gần như hoàn hảo với tính dính thấp.
Một bất ngờ nữa là các cách thức toán học sử dụng thuyết chuỗi và hố đen giả thiết ở các chiều khác cũng có thể được sử dụng để giải thích một vài hệ thống được gắn liền chặt chẽ, kể cả chất lỏng gần như hoàn hảo của RHIC. “Các nhà vật lý rất ngạc nhiên,” các tác giả viết. Dù các định luật toán học này là rất rõ ràng và đáng tin cậy, lý do vật lý cho mối quan hệ này vẫn còn là một bí ẩn
Khi LHC bắt đầu thí nghiệm với ion lớn đầu tiên vào 2010 – với mức năng lượng cao hơn của RHIC đến 14 lần – các thí nghiệm này chủ yếu khẳng định lại những khám phá ban đầu của RHIC với bằng chứng về một chất lỏng gắn liên chặt chẽ, tính dính thấp, tuy nhiên tại một nhiệt độ cao hơn 30% so với tại RHIC. Với một khoảng năng lượng lớn hơn, LHC có tỉ lệ cao hơn các phân tử hiếm, ví dụ như các quark lớn, và các tia năng lượng lớn có thể thăm dò một số đặc tính nhất định của hệ thống QGP. RHIC có thể đi tới mức năng lượng thấp hơn và va chạm nhiều loại ion, từ proton, đồng, vàng, cho đến uranium – và tạo ra các va chạm không đối xứng giữa hai loại ion khác nhau. Tính linh hoạt này của RHIC cho phép các nhà khoa học tạo ra QGP dưới nhiều điều kiện ban đầu khác nhau, và từ đó có thể phân biệt các đặc tính bất di bất dịch của QGP với các đặc tính chịu ảnh hưởng của các điều kiện ban đầu.
“Hai nghiên cứu này thực sự bổ trợ cho nhau,” theo phát biểu của Mueller, người giúp định hướng cho các thí nghiệm và phân tích kết quả tại cả hai phòng thí nghiệm với công trình của mình về động lực học lượng tử, giả thuyết diễn tả sự tương tác qua lại giữa quark và gluon. “Cả RHIC và LHC đều cần thiết để tiến xa hơn hiểu biết của chúng ta về các tương tác giữa nguyên tử trong vũ trụ sơ khai, và cách chúng hình thành nên vật chất ngày nay khi chúng kết hợp lại thành các dạng quen thuộc hơn.”
Một phần quan trọng của thí nghiệm này và hướng đi của nghiên cứu lý thuyết sẽ là khám phá kĩ lưỡng “biểu đồ pha” của hạt nhân – cách quark tiến hóa qua nhiều mức năng lượng, nhiệt độ, và mật độ. LHC sẽ tìm những mức năng lượng lớn nhất có thể, với vật chất được tạo ra gồm có quark và antiquark gần như ngang nhau. Nhưng tất cả bằng chứng đến ngày hôm nay từ cả hai Máy va chạm cho thấy RHIC mới ở trong vùng năng lượng thích hợp để khám phá sự biến đổi từ vật chất bình thường tới QGP – giống cách một vật chất bình thường như nước chuyển pha từ đá sang nước lỏng sang khí. “Thật vui khi biết thí nghiệm của chúng tôi đã thành công như vậy. Các mối quan hệ với các mảng khác của vật lý rất hấp dẫn, và kết quả thú vị hơn chúng tôi tưởng rất nhiều,” Jacak cho biết.
Quỳnh Chi (VACA)
Theo Science Daily
