Các nhà vật lí ở Italy vừa phát hiện ra bằng chứng đầu tiên của một hạt nhân hiếm không tồn tại trong tự nhiên và chỉ sống 10-10 s trước khi phân hủy. Đó là một loại siêu hạt nhân, giống như mọi hạt nhân khác, chứa một tập hợp proton và neutron. Nhưng không giống những hạt nhân bình thường, các siêu hạt nhân còn chứa ít nhất một hyperon, một hạt gồm ba quark, trong đó có ít nhất một quark lạ. Người ta cho rằng các siêu hạt nhân đã hình thành nên lõi của vật chất lạ có thể tồn tại ở những vùng miền xa xôi của vũ trụ, và còn có thể cho phép các nhà vật lí khảo sát bên trong của hạt nhân nguyên tử.
Siêu hạt nhân đặc biệt nghiên cứu ở đây, tên gọi là "hydrogen sáu Lambda" (6ΛH), lần đầu tiên được dự đoán tồn tại hồi năm 1963. Nay, trong một nghiên cứu mới đăng trên tạp chí Physical Review Letters, các nhà vật lí tại thí nghiệm FINUDA ở Viện Vật lí Hạt nhân Quốc gia – Phòng thí nghiệm quốc gia Frascati (INFN-LNF) ở Frascati, Italy, báo cáo tìm thấy bằng chứng đầu tiên cho hạt như thế. Phân tích của nhóm FINUDA gồm hàng triệu sự kiện, trong đó lọc ra ba sự kiện cho siêu hạt nhân hiếm trên.
Một trong ba sự kiện mà thí nghiệm FINUDA tìm thấy: sơ đồ mặt trước của thiết bị, hai đường màu xanh thể hiện hai meson pi chuyển động theo quỹ đạo cong ngược chiều nhau trong từ trường của thiết bị. Ảnh: FINUDA
Những tính chất lạ
Như tên gọi của nó cho thấy, 6ΛH là loại hạt nhân hydrogen cỡ lớn gồm sáu hạt: bốn neutron, một proton, và một hyperon Lambda (Λ). Vì một hạt nhân hydrogen bình thường chứa một proton và không có neutron nào, nên những hạt nhân hydrogen chứa một hoặc nhiều neutron thỉnh thoảng được gọi là “hydrogen nặng”. “Những loại hydrogen nặng phổ biến nhất là deuterium (có một neutron) và tritium (có hai neutron). Vì 6ΛH có bốn neutron cộng với một hyperon Λ, nên các nhà vật lí thường gọi nó “siêu hydrogen nặng”.
Hyperon Λ, gồm một quark lên, một quark xuống và một quark lạ, thật sự mang lại cái hấp dẫn cho 6ΛH: nó làm tăng thời gian sống của 6ΛH từ 10-22 s (thời gian sống của lõi siêu hạt nhân 5H không có Λ) lên 10-10 s. Khi các nhà khoa học lần đầu tiên phát hiện ra hyperon Λ hồi năm 1947, họ đã quan sát thấy một thời gian sống dài hơn so với trông đợi giống như vậy. Quan sát đó đưa đến ý tưởng về sự tồn tại của quark lạ, với tính lạ là tính chất làm cho quark lạ sống lâu như vậy.
Phát hiện
Không có hyperon Λ, có lẽ các nhà vật lí sẽ không thể quan sát trực tiếp một hạt nhân hydrogen với bốn neutron, vì một đồng vị nặng như vậy rất khó tạo ra và có thời gian sống rất ngắn. Một siêu hạt nhân khác, 4ΛH, có hai neutron thay vì bốn, thường dễ tạo ra hơn 6ΛH trong những thí nghiệm tương tự và đã được phát hiện nhiều lần. Nhưng việc tìm ra bằng chứng của 6ΛH thì khó khăn hơn nhiều. 27 triệu sự kiện va chạm mà nhóm FINUDA phân tích là cả một năm thu thập dữ liệu liên tục từ một thí nghiệm diễn ra trong nhiều năm. Trên lí thuyết, xác suất hình thành của 6ΛH nhỏ hơn ít nhất 100 lần so với 4ΛH.
Thí nghiệm FINUDA đặt tại một trong hai điểm tương tác của máy va chạm DAFNE ở INFN-LNF. Như Elena Botta, trưởng nhóm nghiên cứu, giải thích, DAFNE tạo ra các chùm electron và positron. Khi những chùm này va chạm nhau gần như trực diện, chúng tạo ra meson phi (Φ), hạt này phân hủy với 50% xác suất biến đổi thành một cặp tích điện gồm meson K và phần meson K.
Điểm tương tác của FINUDA có một lăng kính tám mặt với tám tấm bia hướng theo các mặt. Khi phản meson K tương tác với một hạt nhân lithium trong một trong những tấm bia này, nó có thể đồng thời tạo ra một siêu hạt nhân 6ΛH và một meson π+ có năng lượng nhất định. Nếu các nhà khoa học phát hiện ra meson đặc biệt này, thì họ đã phát hiện ra một dấu hiệu sự hình thành hạt nhân lạ. Như Botta giải thích, sự sản sinh 6ΛH liên quan đến một cơ chế hai bước làm giảm số proton trong đồng vị lithium, 6Li, từ ba xuống một, tạo ra hydrogen. Một khi được tạo ra, siêu hạt nhân 6ΛH giàu neutron chuyển động chậm dần bên trong tấm bia, và sau 10-10 s chúng dừng lại, phân hủy thành một meson π- và một hạt nhân 6He. Meson π- còn có một năng lượng nhất định, và các nhà khoa học có thể dễ dàng phát hiện ra nó để có dấu hiệu của phân hủy này. Vì thế, có thể phát hiện ra sự hình thành và phân hủy của siêu hạt nhân 6ΛH bằng cách tìm kiếm những sự kiện với sự có mặt của những meson π+ và π- nhất định này.
Vật chất lạ
Là bằng chứng đầu tiên cho siêu hạt nhân 6ΛH, kết quả trên có thể làm sáng tỏ thêm về vật chất lạ, cái đã được nêu giả thuyết là tồn tại tại tâm của những sao neutron cực đặc. Các nhà vật lí hi vọng nghiên cứu vật chất lạ thêm nữa bằng cách tạo ra những hệ hạt nhân lạ.
“Các siêu hạt nhân có thể xem là lõi của vật chất lạ,” Botta nói. “Đặc biệt, khả năng tạo ra những hệ hạt nhân lạ chứa hai hạt Λ sẽ cho phép chúng ta nghiên cứu sự tương tác giữa các hạt lạ.”
Các siêu hạt nhân còn có thể đóng vai trò là công cụ hữu ích để nghiên cứu mô hình hiện nay của cấu trúc hạt nhân, trong đó các proton và neutron được sắp xếp theo một cấu hình bền vững.
“Thực tế một siêu hạt nhân có một quark lạ khiến nó có những đặc điểm hấp dẫn so với những hạt nhân bình thường, vì nó cho phép hạt Λ thành phần tác dụng như một công cụ khảo sát có thể thâm nhập rất sâu vào hạt nhân để kiểm tra sự mô tả mà mô hình lớp vỏ hạt của vật chất lạ mang lại,” Botta nói.
Botta cho biết thêm rằng những siêu hạt nhân khác với tỉ số lớn proton-trên-nuetron có tồn tại trong một trạng thái bền, mặc dù những hạt nhân giàu neutron bình thường trên lí thuyết là không bền. Những siêu hạt nhân giàu neutron dường như là ngoại lệ do cách chúng làm thay đổi cấu trúc của hạt nhân và làm tăng thời gian sống của nó.
Trong một thí nghiệm sắp diễn ra tại Phức hợp Nghiên cứu Máy gia tốc Proton Nhật Bản (J-PARC), các nhà vật lí đang lên kế hoạch tìm kiếm 6ΛH, cũng như những siêu hạt nhân giàu neutron khác, ví dụ như lithium 10 Lambda (10ΛLi).
Tham khảo: M. Agnello, et al. “Evidence for Heavy Hyperhydrogen 6ΛH.” Physical Review Letters 108, 042501 (2012) DOI: 10.1103/PhysRevLett.108.042501
Hoài Ân – thuvienvatly.com
Nguồn: PhysOrg.com
