Va chạm giữa các hạt nhân chì tại CERN mang lại plasma quark-gluon, đặc nhất, nóng nhất

Nhiệt độ cao nhất có thể đạt đến trong các lò luyện kim, vài ngàn độ, thật quá bé nhỏ so với nhiệt độ đạt được khi cho các hạt chuyển động gần với vận tốc ánh sáng va chạm với nhau.

Vào ngày 2 tháng 12, một số nhà khoa học tại phòng thí nghiệm CERN ở Geneva, Thụy Sỹ đã báo cáo những kết quả đầu tiên của thí nghiệm cho va chạm các hạt nhân của nguyên tử chì sau khi hoàn tất những "vòng đua 17 dặm" nổi tiếng gọi là LHC. Khi đó, chúng vỡ thành nhiều mảnh và tạo thành những đốm vật chất đạt đến hàng nghìn tỉ độ chỉ trong chốc lát.

Mặc dù những đốm lữa li ti này xuất hiện tại điểm va chạm chì-chì chỉ thoáng qua, khoảng một phần nghìn tỉ của một phần nghìn tỉ của một giây, nhưng những thiết bị dò cừ khôi đặt trong khu vực đó được thiết kế để nắm bắt và phân loại đám bụi các hạt bắn ra một cách nhanh chóng.

{loadposition article}

"Đây là đám hạt nhân  nóng nhất từng được tạo ra trong phòng thí nghiệm" như lời Boleck Wyslouch làm việc tại Ecole Polytechnique gần Pa-ri đã phát biểu trong buổi gặp mặt mới đây tại CERN. Boleck là người đại diện cho thí nghiệm liên hợp CMS(Compact Muon Solenoid), sử dụng một trong những máy dò khổng lồ ở LHC để quan sát va chạm giữa các  hạt nhân chì.

"Tôi thích gọi nó là Vụ nổ bé" Juergen Schukraft cho biết ở hội thảo chuyên đề mới đây tại CERN. Ông cho rằng, các vụ va chạm khủng khiếp giữa các ion nặng tại LHC là con cháu của Vụ nổ lớn được cho là xảy ra ở 14 tỉ năm trước đây. Hơn nữa, điều kiện mà đốm lửa siêu nóng được tạo ra ở LHC tương tự với vũ trụ lúc sơ khai, chỉ khoảng vài micrô giây sau Vụ nổ lớn, về mật độ năng lượng và nhiệt độ. Schukraft cũng đại diện cho một nhóm dò tìm khác tại CERN gọi là Alice.

Năng lượng lớn chưa từng thấy trước đây, vài TeV, được tập trung trong một miền thể tích bằng với kích cở của vài proton. Proton là thành phân cấu thành hạt nhân nguyên tử, và nhỏ hơn nguyên tử khoảng một vạn lần. Các nhà khoa học làm việc tại các máy gia tốc thường sử dụng eV làm đơn vị năng lượng, là lượng công cần cung cấp để gia tốc một electron bằng lực điện tạo bởi hiệu điện thế 1V. 

Biểu diễn trên máy tính của vụ va chạm các hạt nhân chì lần đầu tiên. (Ảnh:CERN | iSpy and Fireworks, CMS)

Điều gì xảy ra khi hai nguyên tử chì chứa hàng trăm prôton và nơ-trôn(gọi chung là nucleon) mang năng lượng 1,4TeV va chạm trực diện vào nhau? Khi chúng gặp nhau và tương tác, các nucleon bị vở ra thành các thành phần cơ bản hơn, là các quark và gluon. Những gì mà chúng ta thu được là một mớ hổ lốn với cường độ tương tác tăng lên cả trăm lần mà các nhà vật lý gọi là plasma quark-gluon.

Vào đầu năm nay, các nhà khoa học tại Máy va chạm các ion nặng tương đối tính(gọi tắt là RHIC) tại Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven ở New York đã báo cáo những số liệu đo đạc plasma quark-gluon khi cho va chạm giữa các hạt nhân vàng tại đây. Họ cũng cho biết nhiệt độ của khối plasma này là 4 nghìn tỉ độ, nhiệt độ cao nhất được tìm thấy trong một thí nghiệm.

Tuy nhiên, các nhà khoa học ở LHC vẫn chưa đo đạc một cách trực tiếp nhiệt độ của khối plasma này. Schukraft nói rằng, mật độ năng lượng trong các va chạm ở LHC lớn gấp ba lần so với ở RHIC, vì vậy nhiệt độ thu được cũng sẽ lớn hơn.

Trong vài tuần tới, một loạt các kết quả đặc biệt thu được tại các va chạm ion nặng ở LHC sẽ xuất hiện trên các tạp chí khoa học. Các nhà khoa học từ liên phòng thí nghiệm Atlas, hiện đang quản lý máy dò lớn thứ ba của LHC, sẽ báo cáo những quan sát về các chùm tia khổng lồ bắn ra từ va chạm. Mỗi tia có dạng hình nón năng lượng, là chùm hạt bắn ra từ các quả cầu lửa va chạm(điểm va chạm tập trung năng lượng cao). Các nhà khoa học hi vọng rằng, các chùm tia năng lượng cao này sẽ bắn ra theo cặp ngược hướng nhau theo đúng định luật bảo toàn động lượng.

Tuy nhiên, trong nhiều sự kiện va chạm, chỉ một chùm tia được quan sát thấy. Trong một tựa bài xuất hiện trên Tạp chí Physical Review Letters, các nhà khoa học Atlas cho biết, một ví dụ như vậy được thấy lần đầu tiên về sự mất cân bằng giữa các chùm tia trong va chạm chì-chì. Nhưng điều gì đã xảy ra với chùm tia còn thiếu?

Brian Cole, người đại diện của nhóm Atlas tại CERN cho biết, bản thân plasma quark-gluon có khả năng hấp thụ một phần hoặc toàn bộ các chùm tia bắn ra. Quá trình này không phải đối xứng.

"Càng gần tâm va chạm, các chùm tia bắn ra càng bất đối xứng," Cole cho biết.

Một nhà khoa học Atlas khác, Peter Steinberg nói rằng các nhà khoa học mong đợi một vài chùm năng lượng bị hấp thụ, nhưng cảm thấy ngạc nhiên khi trong vài sự kiện, các chùm tia dường như bị hấp thụ hoàn toàn.

Các nhà khoa học hi vọng sự bất đối xứng trong việc xuất hiện các chùm tia có thể được hiểu như đặc tính tự nhiên khó nắm bắt của loại vật chất đậm đặc bậc nhất từng quan sát được trong phòng thí nghiệm.

Theo physorg.com