Gluon không chỉ là 'keo dán': Phát hiện mới từ RHIC cho thấy gluon mang số baryon của proton

Trong một bước đột phá làm rung chuyển ngành vật lý hạt nhân, các nhà khoa học thuộc Hợp tác nghiên cứu STAR tại Máy Va chạm Ion Nặng Tương đối tính (RHIC) của Bộ Năng lượng Mỹ đã công bố bằng chứng thực nghiệm đầu tiên cho thấy số baryon – một đặc tính lượng tử cốt lõi giúp phân biệt vật chất với phản vật chất – của proton không nằm ở các quark hóa trị như quan niệm suốt nhiều thập kỷ. Thay vào đó, nó được mang bởi một cấu trúc đặc biệt của các hạt gluon: 'nút thắt gluon' (gluon junction) hình chữ Y, kết nối ba quark với nhau .

Kết quả được công bố trên tạp chí Science đã thách thức mô hình chuẩn trong sách giáo khoa, nơi mỗi quark hóa trị được cho là mang 1/3 số baryon (B=1/3), giúp tổng số baryon của proton bằng 1 (B=1). Dữ liệu từ ba thí nghiệm độc lập và bổ trợ cho nhau tại RHIC đã vẽ nên một bức tranh hoàn toàn khác.

Ba thí nghiệm, một kết luận

Nhóm STAR đã tiến hành ba phép đo riêng biệt để truy tìm nguồn gốc của số baryon trong các vụ va chạm năng lượng cao :

1. Va chạm đồng vị (Isobar collisions): So sánh va chạm giữa các hạt nhân ruthenium (Ru) và zirconium (Zr) . Hai loại hạt nhân này có cùng số nucleon nhưng khác nhau về số proton, cho phép các nhà khoa học tách biệt ảnh hưởng của điện tích và số baryon.
2. Va chạm photon-gold (Photon-gold collisions): Nghiên cứu các tương tác giữa photon năng lượng cao và hạt nhân vàng .
3. Đo lường net-proton: Phân tích sản lượng net-proton (proton trừ phản proton) trong các va chạm Au+Au năng lượng cao .

Cả ba phép đo đều cho thấy một lượng baryon đáng kể bị 'chặn lại' (stopping) ở khu vực giữa của máy dò (mid-rapidity) – nhiều hơn rất nhiều so với dự đoán từ mô hình quark hóa trị. Nếu ba quark hóa trị mang số baryon, chúng sẽ lao đi với vận tốc cực lớn và 'mang' số baryon ra xa. Tuy nhiên, thực tế lại có quá nhiều baryon bị giữ lại ở gần điểm va chạm. Điều này chỉ có thể được giải thích nếu một cấu trúc khác, dễ bị 'chặn' hơn, đang mang số baryon .

'Nút thắt gluon' là gì?

Giả thuyết về 'nút thắt baryon' (baryon junction) – hay còn gọi là 'nút thắt dây' (string junction) – đã được các nhà vật lý lý thuyết đưa ra từ những năm 1970. Nó mô tả một cấu hình đặc biệt của trường gluon, nơi các đường sức gluon kết nối ba quark hóa trị của proton tại một điểm trung tâm, tạo thành một hình chữ Y. Chính tại điểm 'nút thắt' (junction) này, toàn bộ số baryon (B=1) được lưu giữ, và nó hoàn toàn không mang điện tích .

Sự khác biệt này giải thích một cách hoàn hảo các kết quả thực nghiệm:

• Bị chặn lại dễ dàng: 'Nút thắt' gluon là một cấu trúc mềm, có tương tác mạnh, nên khi va chạm, nó dễ dàng bị 'mắc kẹt' và chuyển hóa năng lượng thành các hạt baryon mới (như proton) bắn ra theo hướng ngang .
• Điện tích tách rời: Vì nút thắt không mang điện, nên sự vận chuyển số baryon và sự vận chuyển điện tích là độc lập với nhau. Điều này trái ngược với mô hình quark hóa trị, nơi điện tích và số baryon luôn đi cùng nhau. Chính sự tách rời này đã được quan sát thấy trong thí nghiệm va chạm đồng vị .

Tái định nghĩa vai trò của gluon và ý nghĩa vũ trụ học

Phát hiện này có ý nghĩa vô cùng sâu sắc, vượt xa một bài học vật lý hạt cơ bản.

Thay đổi hiểu biết về vật chất gluon: Trước đây, gluon được biết đến như những 'hạt keo' (glue) giữ các quark lại với nhau. Giờ đây, chúng ta biết rằng gluon còn có thể đóng vai trò là nơi chứa đựng một số lượng tử bảo toàn (số baryon). Điều này cho thấy 'vật chất gluon' (gluonic matter) có một vai trò trực tiếp và nền tảng hơn nhiều trong việc tạo nên sự ổn định của vật chất thông thường .

Manh mối về vũ trụ sơ khai và sự bất đối xứng vật chất-phản vật chất: Số baryon là một đại lượng bảo toàn, và cách nó được vận chuyển trong các va chạm năng lượng cao tại RHIC mô phỏng lại các điều kiện của vũ trụ sơ khai, ngay sau Vụ Nổ Lớn. Việc hiểu rõ cơ chế này có thể cung cấp những gợi ý quan trọng để giải thích tại sao vũ trụ của chúng ta lại có nhiều vật chất hơn phản vật chất. Cơ chế 'nút thắt gluon' có thể đã đóng một vai trò then chốt trong quá trình này .

Xác nhận các cấu trúc kỳ lạ: Kết quả này cũng mở ra cánh cửa cho việc nghiên cứu các trạng thái vật chất gluon kỳ lạ khác được tiên đoán bởi Sắc động lực học lượng tử (QCD), như các 'quả cầu keo' baryonium (baryonium glueballs) hay các cấu trúc hình cầu rỗng 'buckyball' gluon. Nếu gluon có thể mang số baryon, những cấu trúc này hoàn toàn có thể tồn tại .