Va chạm oxy và neon tại CERN hé lộ vật chất thuở sơ khai của vũ trụ

Tại Máy gia tốc hạt lớn (LHC) của CERN, các nhà vật lý đã mở rộng đáng kể phạm vi nghiên cứu vật chất từng tồn tại trong những khoảnh khắc đầu tiên của vũ trụ. Trong đợt chạy ion nhẹ diễn ra vào tháng 6 và tháng 7/2025, các chùm hạt nhân oxy-16 và neon-20 được gia tốc gần tốc độ ánh sáng rồi cho va chạm ở năng lượng tâm khối 5,36 TeV trên mỗi cặp nucleon. Những mô hình phân bố hạt sinh ra sau va chạm phù hợp với sự hình thành các “giọt” plasma quark–gluon (QGP) cực nhỏ và tồn tại trong thời gian rất ngắn.

QGP là trạng thái vật chất nóng và đặc đến mức quark, gluon có thể chuyển động gần như tự do, trước khi bị giam giữ bên trong proton và neutron. Đây được cho là dạng vật chất lấp đầy vũ trụ trong những phần triệu giây đầu sau Vụ Nổ Lớn. Tuy nhiên, thí nghiệm không tạo ra một khối vật chất nguyên thủy có kích thước lớn, cũng không chụp được trực tiếp một giọt plasma. Sự hiện diện của nó được suy luận từ nhiều hiệu ứng để lại trong hàng nghìn hạt sinh ra sau mỗi vụ va chạm.

Vì sao va chạm hạt nhân nhẹ là bước tiến đáng chú ý?

Trong nhiều thập kỷ, các nhà vật lý ion nặng chủ yếu dùng những hạt nhân lớn như chì để tạo và nghiên cứu QGP. Các va chạm giữa hạt nhân nhẹ hơn cung cấp một phép thử sắc nét hơn: liệu các hệ có kích thước rất nhỏ có thể tạo ra dòng vật chất tương tác mạnh, giãn nở như một chất lỏng hay không.

Đợt chạy năm 2025 bao gồm các va chạm oxy–oxy, neon–neon và proton–oxy. Việc so sánh những hệ có kích thước và hình học khác nhau giúp các nhóm thí nghiệm tách ảnh hưởng của hình dạng ban đầu khỏi những hiệu ứng chung trong quá trình vật chất giãn nở.

Kết quả quan trọng của ALICE là quan sát dòng chảy bất đẳng hướng do hình học chi phối trong các va chạm oxy–oxy và neon–neon. Các hạt phát ra không phân bố hoàn toàn ngẫu nhiên: mô hình động lượng của chúng chứa các thành phần dạng elip và tam giác, thường được ký hiệu là (v_2) và (v_3). Mức độ của những dòng chảy này thay đổi theo độ “trung tâm” của va chạm và phù hợp với các tính toán thủy động lực học, vốn chuyển hình dạng vùng chồng lấn ban đầu thành dòng vật chất giãn nở theo các hướng ưu tiên.

Điều này quan trọng vì một môi trường tương tác mạnh, giãn nở cực nhanh có thể giữ lại thông tin về vùng va chạm ban đầu. Nói cách khác, hình học lúc hai hạt nhân chạm nhau được “mã hóa” vào chuyển động tập thể của các hạt cuối cùng. Kết quả cho thấy hành vi tập thể có thể xuất hiện trong những hệ nhỏ hơn nhiều so với va chạm chì–chì, vốn từ lâu được xem là môi trường điển hình để nghiên cứu QGP.

Bốn thí nghiệm, nhiều dấu hiệu bổ trợ

Lập luận về vật chất giống QGP không chỉ dựa trên dòng chảy. Bốn thí nghiệm lớn tại LHC cung cấp các mảnh bằng chứng bổ sung:

• ALICE ghi nhận dấu hiệu các parton — những hạt cấu thành như quark và gluon — bị mất năng lượng khi chuyển động qua hệ oxy–oxy. Khi đi qua môi trường nóng, đặc, các parton năng lượng cao có thể mất bớt năng lượng trước khi phân rã thành những hạt mà máy dò quan sát được.
• ATLAS đo được sự mất cân bằng năng lượng giữa các jet đối nhau trong các sự kiện oxy–oxy và neon–neon. Hiệu ứng này lớn hơn ở những va chạm trung tâm, nơi các hạt phải đi qua vùng vật chất nóng lớn hơn.
• CMS phát hiện sự suy giảm số lượng hạt tích điện có động lượng cao trong va chạm oxy–oxy và neon–neon so với mốc tham chiếu proton–proton, đồng thời ghi nhận bằng chứng liên quan đến sự suy giảm tuần tự của các trạng thái bottomonium có độ liên kết khác nhau.
• LHCb nhận thấy các meson tạo bởi quark charm và quark nhẹ bị suy giảm mạnh hơn trong hệ neon lớn hơn so với hệ oxy; thí nghiệm cũng báo cáo bằng chứng sơ bộ về sự suy giảm bottomonium trong dữ liệu proton–oxy và oxy–oxy.

Khi đặt cạnh nhau, dòng chảy tập thể, sự mất năng lượng của parton hoặc jet, sự suy giảm của các hạt động lượng cao và sự suy giảm của quarkonium nặng tạo thành một nhóm dấu hiệu nhất quán của vật chất giống QGP. Dù vậy, mỗi phép đo vẫn có những hiệu ứng thay thế cần được mô hình hóa và kiểm tra. Vì thế, kết luận thận trọng nhất là các dữ liệu đang hội tụ về hành vi giống QGP trong hệ ion nhẹ — chứ không phải một bức ảnh trực tiếp của “giọt plasma”.

Hạt cuối cùng tiết lộ hình dạng hạt nhân ban đầu

Chương trình ion nhẹ cũng biến LHC thành một công cụ gián tiếp để nghiên cứu cấu trúc hạt nhân. Hạt nhân oxy-16 gần như có dạng hình cầu, trong khi neon-20 bị biến dạng nội tại và thường được mô tả là thuôn dài, giống một “quả bowling” hoặc “quả bóng bầu dục”. Hướng của hạt nhân neon tại thời điểm va chạm có thể làm thay đổi hình dạng vùng vật chất được tạo ra.

ALICE so sánh các mô hình dòng chảy trong va chạm neon–neon với oxy–oxy. Việc lấy tỷ số giữa hai hệ giúp giảm ảnh hưởng của những hiệu ứng mà chúng cùng chia sẻ, từ đó tăng độ nhạy với khác biệt về hình học hạt nhân ban đầu cũng như các dao động ở quy mô nhỏ. Các hệ số dòng chảy đo được và sự phụ thuộc của chúng vào độ trung tâm phù hợp với các dự đoán thủy động lực học sử dụng hình dạng thực tế của oxy và neon.

Theo cách này, phần “mảnh vỡ” sau va chạm trở thành một hình ảnh gián tiếp của hạt nhân trước khi chúng đâm vào nhau. Hạt nhân oxy gần hình cầu và hạt nhân neon bị kéo dài để lại những dấu vết hình học khác nhau trong quá trình giãn nở tập thể, dù bản thân chúng quá nhỏ để có thể được chụp ảnh trực tiếp.

Một phương pháp mới bổ trợ cho vật lý hạt nhân

Trước đây, sự biến dạng của hạt nhân thường được nghiên cứu ở năng lượng thấp thông qua các đại lượng như dải mức quay, trạng thái dao động và các chuyển tiếp điện từ. Chương trình ion nhẹ tại LHC bổ sung một phương pháp ở năng lượng cực cao: cho các hạt nhân va chạm gần tốc độ ánh sáng, để vật chất tương tác mạnh giãn nở, rồi suy ra hình học ban đầu từ dòng chảy của các hạt cuối cùng.

Phương pháp này không thay thế quang phổ học năng lượng thấp mà bổ trợ cho nó. Nó cho phép khảo sát cách hình dạng toàn bộ hạt nhân — cùng những dao động ở khoảng cách ngắn hơn — ảnh hưởng đến động lực học của một hệ nóng và giãn nở nhanh chưa từng có. Đồng thời, đây là môi trường có kiểm soát để kiểm tra các mô hình thủy động lực học trong những hệ rất nhỏ, nơi hình học và các lựa chọn mô hình nhạy cảm hơn.

Kết quả vì vậy tạo ra một cầu nối giữa hai lĩnh vực thường được nghiên cứu tách biệt: cấu trúc của hạt nhân nguyên tử và tính chất của vật chất từng lấp đầy vũ trụ ngay sau Vụ Nổ Lớn.

Heli-4 có thể giúp tìm giới hạn thấp nhất?

Các hạt nhân nhẹ hơn nữa, chẳng hạn heli-4, có thể trở thành phép thử tiếp theo cho ranh giới về kích thước hệ. Bằng cách so sánh heli-4 với oxy và neon, các nhà nghiên cứu có thể tìm xem dòng chảy tập thể và dấu hiệu mất năng lượng suy yếu hoặc biến mất ở điểm nào, khi kích thước, thời gian tồn tại và mật độ năng lượng của hệ giảm xuống.

Những phép đo như vậy có thể giúp xác định điều kiện tối thiểu để vật chất biểu hiện hành vi giống QGP, đồng thời cung cấp một hình học hạt nhân khác để kiểm tra các mô hình về cấu trúc hạt nhân và vật chất tương tác mạnh. Tuy nhiên, các nguồn hiện có chưa xác nhận một đợt chạy heli-4, lịch trình cụ thể hay độ nhạy dự kiến. Vì vậy, heli-4 hiện chỉ nên được xem là một hướng nghiên cứu tiềm năng trong tương lai, không phải kết quả đã được công bố.