Va chạm hạt nhân nhẹ tại LHC có thể đã tạo ra “vũ trụ sơ khai” thu nhỏ

Các vụ va chạm giữa hạt nhân oxy-16 và neon-20 tại Máy gia tốc hạt lớn (LHC) của CERN đã mang đến một kết quả đáng chú ý: ngay cả những hệ hạt nhân nhẹ hơn nhiều so với chì–chì cũng có thể tạo ra một môi trường cực nóng, giãn nở nhanh và thể hiện dòng chảy tập thể tương tự plasma quark–gluon (QGP).

QGP là trạng thái vật chất trong đó quark và gluon, vốn thường bị giam giữ bên trong proton và neutron, có thể chuyển động trong một môi trường gần như tự do. Trạng thái này được cho là từng tồn tại trong những phần triệu giây đầu tiên sau Vụ Nổ Lớn.

Điểm quan trọng nằm ở cách các hạt thoát ra sau va chạm. Chúng không bay theo những hướng hoàn toàn ngẫu nhiên mà tạo thành các mô hình dòng chảy không đẳng hướng, phụ thuộc vào hình học của hai hạt nhân ban đầu. Vì vậy, thí nghiệm không chỉ kiểm tra khả năng xuất hiện tính tập thể giống QGP trong một hệ rất nhỏ, mà còn cung cấp một cách mới để “đọc” hình dạng hạt nhân.

ALICE đã quan sát gì trong đợt chạy năm 2025?

Từ ngày 29/6 đến 9/7/2025, LHC thực hiện các đợt va chạm chuyên biệt giữa oxy–oxy, neon–neon và oxy–proton. Dữ liệu oxy–oxy và neon–neon được thu thập ở năng lượng khối tâm 5,36 TeV trên mỗi cặp nucleon.

ALICE đo được hai dạng dòng chảy không đẳng hướng của các hạt mang điện: dòng chảy elip và dòng chảy tam giác. Cả hai đều có độ lớn đáng kể và thay đổi theo độ tập trung của va chạm—tức mức độ hai hạt nhân đâm sượt hay trực diện vào nhau.

Các mô hình thủy động lực học có tính đến hình học va chạm đã mô tả được những mô hình quan sát thấy. Điều này cung cấp bằng chứng mạnh cho động lực học tập thể trong các hệ nhỏ bất thường này, đồng thời củng cố cách diễn giải rằng một môi trường giống QGP có thể đã hình thành.

Vì sao hình dạng của neon đặc biệt quan trọng?

Hạt nhân oxy-16 tương đối tròn, nên đóng vai trò như một mốc so sánh hữu ích. Ngược lại, neon-20 được dự đoán có cấu trúc thuôn dài hoặc dạng prolate, thường được ví với một quả tạ bowling. Khi hai hạt nhân neon va chạm, hình dạng biến dạng này có thể để lại dấu ấn rõ hơn trong sự phân bố góc của các hạt sinh ra sau đó.

Vì thế, việc đặt hai hệ va chạm cạnh nhau có giá trị hơn khi chỉ nghiên cứu riêng từng hệ. Tín hiệu dòng chảy elip mạnh hơn trong các va chạm neon–neon trực diện so với oxy–oxy phù hợp với ý tưởng rằng hình dạng ban đầu của hạt nhân góp phần quyết định dòng chảy cuối cùng của các hạt.

Nói cách khác, các mảnh vỡ sau va chạm hoạt động như một “bức ảnh gián tiếp” về hình dạng hạt nhân tại thời điểm va chạm. Đây là lý do kết quả có ý nghĩa vượt ra ngoài nghiên cứu QGP: các vụ va chạm năng lượng cao có thể bổ trợ cho các phép đo cấu trúc hạt nhân truyền thống và những tính toán về cách proton, neutron phân bố bên trong hạt nhân.

Bốn thí nghiệm LHC đã độc lập xác nhận QGP chưa?

Bốn cộng tác lớn tại LHC—ALICE, ATLAS, CMS và LHCb—đều báo cáo các dấu hiệu của hành vi tập thể trong dữ liệu va chạm hạt nhân nhẹ. CERN mô tả đây là những chỉ dấu mới cho thấy va chạm oxy và neon có thể tạo ra trạng thái vật chất cực đoan từng tồn tại trong những phần triệu giây đầu tiên của vũ trụ.

Sự hội tụ giữa các thí nghiệm rất đáng chú ý, nhưng cần thận trọng với từ “chỉ dấu”. Dòng chảy tập thể là một dấu hiệu trung tâm của hành vi giống QGP, song các hệ va chạm nhẹ có kích thước rất nhỏ nên những hiệu ứng khác vẫn có thể làm phức tạp việc diễn giải. Kết quả hiện ủng hộ sự xuất hiện của tính tập thể giống QGP, chứ chưa thể được trình bày như bằng chứng riêng lẻ và dứt khoát rằng mọi va chạm đều tạo ra một plasma hoàn chỉnh.

Phát hiện này thay đổi câu hỏi nghiên cứu như thế nào?

Kết quả năm 2025 đưa lĩnh vực đến một câu hỏi chính xác hơn: một hệ va chạm có thể nhỏ đến đâu mà vẫn tạo ra hành vi tập thể giống QGP?

Trước đây, các tín hiệu rõ ràng nhất chủ yếu đến từ những vụ va chạm giữa các hạt nhân nặng, đặc biệt là chì–chì. Oxy và neon mở ra một quy mô trung gian mới để kiểm tra ranh giới giữa quá trình tạo hạt thông thường và vật chất tập thể, trong đó quark và gluon không còn bị giam giữ như trong vật chất thông thường.

Hai hệ này cũng giúp tách biệt hai vấn đề vốn khó phân định: tính chất của môi trường nóng được tạo ra và hình dạng của các hạt nhân khởi đầu. So sánh một hạt nhân tương đối tròn với một hạt nhân biến dạng cho phép các nhà lý thuyết kiểm tra chặt chẽ hơn các mô hình thủy động lực học và mô hình cấu trúc hạt nhân.

Lợi ích rộng hơn là sự kết nối giữa hai nhánh vật lý. Các thí nghiệm và tính toán cấu trúc hạt nhân mô tả hình học bên trong hạt nhân thông thường ở năng lượng thấp, trong khi LHC khảo sát vật chất ở nhiệt độ và mật độ năng lượng cực cao. Va chạm hạt nhân nhẹ nối hai thang đo này bằng cách sử dụng dòng chảy của các hạt cuối cùng để kiểm tra cả cấu hình ban đầu lẫn hành vi của môi trường sinh ra sau va chạm.

Các nhà nghiên cứu sẽ tìm gì tiếp theo?

Những phép đo tiếp theo sẽ kiểm tra liệu các mô hình dòng chảy tập thể có còn tồn tại khi hệ va chạm nhỏ hơn nữa hay không, đồng thời giúp xác định các điều kiện tối thiểu để hình thành hành vi giống QGP. Ngưỡng này có thể cải thiện các mô hình về quark và gluon không bị giam giữ, cũng như hiểu biết về vật chất cực đoan từng hiện diện trong những thời khắc đầu tiên của vũ trụ.

Kết luận hiện tại được diễn đạt thận trọng nhưng có ý nghĩa: oxy và neon nhẹ hơn đáng kể so với các hạt nhân thường dùng trong vật lý ion nặng, nhưng va chạm của chúng tạo ra các mô hình dòng chảy vừa mang dấu ấn hình học hạt nhân, vừa cung cấp bằng chứng mạnh về động lực học tập thể giống plasma quark–gluon.