Gluon không chỉ là “chất keo”: Ba thí nghiệm đang thay đổi cách nhìn về vật chất

STAR: số baryon có thể được truyền bởi “mối nối” gluon

STAR nghiên cứu cách số baryon được truyền trong các va chạm giữa các hạt nhân đồng khối và trong tương tác photon–hạt nhân. Số baryon là một số lượng tử dùng để mô tả các dạng vật chất như proton và neutron.

Theo hình ảnh đơn giản thường được giảng dạy, số baryon gắn với ba quark hóa trị của một baryon. Tuy nhiên, dữ liệu STAR cho thấy tỷ số số baryon trên độ chênh điện tích lớn hơn, đồng thời phân bố proton thuần cũng khác với dự đoán của các mô hình chỉ gán số baryon cho quark hóa trị. Kết quả này không ủng hộ hoàn toàn hình ảnh đó và phù hợp với các mô phỏng có tính đến một junction baryon hoặc junction gluon.

Junction là một cấu hình phi nhiễu loạn của trường gluon có dạng chữ Y, nối ba quark với nhau. Trong mô tả này, số baryon không đơn giản chỉ được “chia” cho các quark mà có thể gắn chủ yếu với cấu trúc trường gluon liên kết chúng.

Điều đó không có nghĩa quark không còn quyết định hương hay điện tích của proton. Điểm được đề xuất là một tính chất lượng tử cơ bản của vật chất baryon có thể phụ thuộc vào tôpô của trường gluon giam giữ. Vì vậy, cách diễn đạt chính xác hơn là kết quả STAR gợi ý hoặc ủng hộ cơ chế junction gluon, thay vì nói rằng cơ chế này đã được chứng minh tuyệt đối. Cách diễn giải vẫn cần được kiểm tra thêm bằng cả thực nghiệm và lý thuyết.

BESIII: gluon có thể tự tạo thành một hadron?

QCD cho phép gluon tương tác với nhau và, về mặt lý thuyết, tạo thành những trạng thái liên kết gọi là glueball — các trạng thái hadron chủ yếu cấu tạo từ gluon. Việc nhận diện chúng rất khó vì glueball có thể trộn với những trạng thái thông thường gồm quark và phản quark.

BESIII tập trung vào X(2370), một hạt lần đầu được quan sát vào năm 2011. Với bộ dữ liệu lớn hơn nhiều, gồm khoảng 10 tỷ sự kiện J/ψ, thí nghiệm này lần đầu xác định spin–parity của X(2370) là 0⁻⁺ thông qua phân tích sóng riêng phần. Các đặc tính này phù hợp với một glueball giả vô hướng.

Nhóm hợp tác BESIII mô tả X(2370) là một hạt có thành phần bị chi phối bởi glueball giả vô hướng. Đây là cách diễn đạt thận trọng về mặt khoa học. Hiện chưa thể khẳng định X(2370) là một hạt “thuần” chỉ gồm gluon, bởi sự pha trộn với các trạng thái quark–phản quark là yếu tố quan trọng trong cách QCD mô tả các trạng thái hadron thực. Việc xác nhận độc lập và tiếp tục đối chiếu với những mô hình thay thế vẫn rất cần thiết.

Điều gì thay đổi trong cách hiểu về lực tương tác mạnh?

Ba kết quả trên không đo cùng một hiện tượng. ALICE khảo sát hành vi tập thể của các trường gluon dày đặc trong hạt nhân. STAR xem xét tôpô của trường gluon và sự vận chuyển số baryon. BESIII tìm kiếm một trạng thái liên kết có thể chủ yếu được tạo nên từ chính các hạt mang lực tương tác mạnh.

Tuy vậy, khi đặt cạnh nhau, chúng chuyển trọng tâm khỏi sơ đồ sách giáo khoa “ba quark được giữ với nhau bằng chất keo” sang một mô tả năng động hơn:

• Gluon có thể tạo thành các chế độ tập thể trong những trường hạt nhân cực kỳ dày đặc.
• Tôpô gluon có thể góp phần truyền một tính chất lượng tử cơ bản của baryon.
• Tương tác tự thân của gluon có thể tạo ra những trạng thái hadron mới, chẳng hạn X(2370) bị chi phối bởi glueball.

Vì vậy, QCD không chỉ mô tả một lực tác động giữa những hạt đã tồn tại sẵn. Lý thuyết này mô tả các trường có thể tổ chức cấu trúc bên trong proton và hạt nhân, truyền các số lượng tử, thậm chí có khả năng tự hình thành những trạng thái vật chất có thể quan sát được.

Kết luận

Cách tổng hợp an toàn nhất hiện nay là xem gluon như những “kiến trúc sư” chủ động của vật chất nhìn thấy. ALICE cung cấp dấu hiệu về sự bão hòa tập thể; STAR đưa ra bằng chứng ủng hộ một tôpô gluon liên quan đến số baryon; còn BESIII chỉ ra một trạng thái X(2370) bị chi phối bởi glueball.

Đây không phải ba bằng chứng độc lập cho một lý thuyết mới duy nhất. Đúng hơn, chúng là ba cách tiếp cận thực nghiệm vào những khía cạnh khác nhau của cùng một ý tưởng sâu sắc: lực tương tác mạnh phong phú hơn rất nhiều so với hình ảnh đơn giản về một “chất keo” nối các quark.