Fermilab phát hiện ra một họ hàng nặng của neutron

Một khi được tạo ra, hạt Xi-sub-b (Ξb0) truyền đi khoảng 1mm trước khi nó phân hủy thành hai hạt: hạt Xi-sub-c tích điện dương (Ξc^-), thời gian sống ngắn; và hạt pion âm (π-), thời gian sống dài. Hạt Xi-sub-c sau đó nhanh chóng phân hủy thành một cặp pion có thời gian sống dài và một hạt Xi (Ξ), hạt này có thời gian sống đủ lâu để để lại vết tích trong hệ đỉnh silicon (SVX) của máy dò hạt CDF trước khi nó phân hủy thành một pion và một hạt Lambda (Λ). Hạt Lambda, không mang điện tích, có thể truyền đi vài cm trước khi phân hủy thành một proton (p) và một pion (π). Ảnh: CDF

Các nhà khoa học thuộc chương trình hợp tác CDF tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc quốc gia Fermi thuộc Bộ Năng lượng Mĩ đã công bố kết quả quan sát của một hạt mới, hạt Xi-sub-b trung hòa (Ξb0). Hạt này chứa ba quark: một quark lạ, một quark lên và một quark đáy (sub). Trong khi sự tồn tại của nó đã được Mô hình Chuẩn tiên đoán, việc quan sát thấy hạt Xi-sub-b có tầm quan trọng vì nó củng cố kiến thức của chúng ta về các thức các quark hình thành nên vật chất. Nhà vật lí Fermilab, Pat Lukens, một thành viên của chương trình CDF, đã trình bày khám phá trên tại Fermilab vào hôm thứ tư, 20 tháng 7.

xi-sub-b trung hòa là mục từ mới nhất trong bảng tuần hoàn baryon. Baryon là những hạt có cấu tạo gồm ba quark mà thí dụ phổ biến nhất là proton (hai quark lên và một quark xuống) và neutron (hai quark xuống và một quark lên). Xi-sub-b tủng hòa thuộc về họ hàng baryon đáy, chúng gặng hơn proton và neutron khoảng sáu lần vì chúng đều chứa quark đáy nặng. Các hạt trên chỉ sinh ra trong những va chạm năng lượng cao, và rất hiếm và rất khó quan sát.

Mặc dù máy va chạm Tevatron của Fermilab không còn là một nhà máy quark đáy chuyên dụng nữa, nhưng những máy dò hạt phức tạp và hàng nghìn tỉ va chạm proton-phản proton vẫn khiến nó là trung tâm khám phá và nghiên cứu hầu như mọi baryon đáy đã biết. Các thí nghiệm tại Tevatron đã phát hiện ra các baryon Sigma-sub-b (Σb và Σb*) vào năm 2006, quan sát thấy baryon Xi-b-trừ (Ξb-) vào năm 2007, và tìm ra hạt Omega-sub-b (Ωb-) vào năm 2009. Baryon đáy nhẹ nhất, Lambda-sub-b (Λb), đã được phát hiện ra tại CERN. Việc đo tính chất của tất cả những hạt này cho phép các nhà khoa học kiểm tra và cải tiến các mô hình của phương thức các quark tương tác ở cự li gần thông qua lực hạt nhân mạnh, như lí thuyết sắc động lực học lượng tử (QCD) giải thích. Các nhà khoa học tại Fermilab và những phòng thí nghiệm khác thuộc Bộ Năng lượng Mĩ sử dụng những siêu máy tính mạnh để mô phỏng các tương tác quark và tìm hiểu tính chất của những hạt cấu tạo từ quark.

Baryon là những hạt cấu tạo gồm ba quark. Mô hình quark tiên đoán những kết hợp baryon tồn tại với spin J = ½ (hình) hoặc J = 3/2 (không vẽ). Còn có những baryon khác chứa quark duyên, không thể hiện trong hình này. Quark đỉnh, được phát hiện ra vào năm 1995 tại Fermilab, có thời gian sống quá ngắn nên không thể trở thành hạt cấu thành của một baryon.

Một khi được tạo ra, hạt Xi-sub-b truyền đi một phần nhỏ của một mm trước khi nó phân hủy thành những hạt nhẹ hơn. Những hạt này sau đó lại phân hủy thành những hạt nhẹ hơn nữa. Các nhà vật lí dựa trên những chi tiết của chuỗi phân hủy này để nhận ra hạt ban đầu. Kiểu phân hủy phức tạp của Xi-sub-b trung hòa khiến việc quan sát nó khó khăn hơn nhiều so với người anh em tích điện của nó (Ξb-). Kết hợp qua gần 500 nghìn tỉ va chạm proton-phản proton do máy va chạm Tevatron của Fermilab tạo ra, chương trình CDF đã tách ra 25 mẫu trong đó các hạt xuất hiện từ một va chạm để lộ dấu vết đặc trưng của hạt Xi-sub-b trung hòa. Phân tích này xác lập sự khám phá ở mức 7 sigma. Các nhà khoa học xem 5 sigma là giá trị ngưỡng cho những khám phá mới.

CDF còn quan sát lại phiên bản tích điện đã biết của hạt Xi-sub-b trung hòa trong một phân hủy chưa bao giờ được quan sát thấy trước đây, cái giữ vai trò là một kiểm tra chéo độc lập của phân tích trên. Những mẫu dữ liệu mới phân tích mang lại khả năng có những khám phá mới nữa.

Chương trình CDF đã quan sát thấy 25 ứng cử viên Xi-sub-b trong dữ liệu của họ. Phân tích xác lập mức khám phá ở giá trị 7 sigma. Các nhà khoa học đã đo khối lượng của hạt Xi-sub-b trung hòa là 5,7878 GeV/c². Ảnh: CDF

CDF là một thí nghiệm quốc tế gồm khoảng 500 nhà vật lí đến từ 58 trường viện ở 15 quốc gia. Nó được tài trợ bởi Bộ Năng lượng Mĩ, Quỹ Khoa học quốc gia Mĩ, và một số cơ quan tài trợ quốc tế khác.

Nguồn: Fermilab, PhysOrg.com