Hạt nặng nhất trong họ hàng hạt sơ cấp của tự nhiên giữ một vai trò hết sức to lớn trong nhiều quá trình cơ bản. Nhưng vì quark đỉnh quá nặng, nên nó đã lãng tránh các thí nghiệm dò tìm trong gần hai thập kỉ.
Kể từ thời các nhà hiền triết Hi Lạp, nhân loại đã tìm cách nhận dạng các viên gạch cấu trúc cơ bản của vật chất. Theo thời gian, khái niệm được trau chuốt dần; quan niệm gốc ban đầu cho rằng các nguyên tử không thể phân chia là những nguyên tố cơ bản đã phát triển dần thành quan niệm ngày nay rằng các hạt gọi là quark nằm tại tâm điểm của toàn bộ vật chất. Vì thế, vào năm 1995, việc khám phá quark top tại Fermilab – quark thứ sáu và có lẽ là hạt cuối cùng thuộc họ nhà quark – có thể được xem là báo hiệu sự kết thúc của một trong những cuộc tìm kiếm dài ngày nhất trong lịch sử khoa học.1
Nhưng các tính chất của quark top thật lạ lùng và làm phát sinh những nghi vấn mới. Đặc biệt, khối lượng của nó thuộc loại lớn nhất so với bất kì hạt sơ cấp nào đã biết. Khối lượng lớn như thế cho thấy quark top giữ một vai trò cơ bản trong sự phá vỡ đối xứng của tương tác điện yếu, một đối xứng đòi hỏi khối lượng của các hạt sơ cấp triệt tiêu. Nếu đúng vậy thì bản thân quark top là căn bản cho sự sản sinh khối lượng.
Một thành viên còn thiếu trong họ nhà hạt
Năm 1964, Murray Gell-Mann và George Zweig độc lập nhau đề xuất giả thuyết quark2 để giải thích hiện tượng nổ của các hạt hạ nguyên tử được khám phá trong các thí nghiệm máy gia tốc và tia vũ trụ vào thập niên 1950 và đầu thập niên 1960. Hơn 100 hạt mới đã được quan sát, phần đông trong số chúng tương tác mạnh và có thời gian sống rất ngắn. Những hạt tương tác mạnh đó, gọi là hadron, không phải là sơ cấp; chúng có một kích thước rõ ràng và có cấu trúc bên trong. Giả thuyết quark đề xuất rằng những kết hợp khác nhau của ba quark – quark lên (u), quark xuống (d) và quark lạ (s) – và các phản hạt của chúng có thể giải thích cho mọi hadron đã biết khi ấy. Mỗi quark có spin riêng ½ ℏ và được cho là sơ cấp. Để giải thích phổ hadron đã quan sát được, các quark phải mang điện tích phân số của điện tích electron.
Các quark có vẻ tạo ra một đối trọng cho một họ hàng khác của các hạt sơ cấp: các lepton, khi ấy bao gồm electron (e) và muon (μ) và các neutrino không mang điện đi kèm của chúng, νe and νμ. Các lepton không chịu tương tác mạnh liên kết hạt nhân, mà chúng tham gia vào tương tác điện từ và tương tác yếu gây ra các phân rã phóng xạ. Chúng có spin giống như quark và, giống như chúng, không có kích cỡ đáng kể và cấu trúc bên trong.
Vào giữa thập niên 1970, các quark được sát nhập vào mô hình chuẩn ngày nay của ngành vật lí hạt. Nhưng ban đầu, đa số nhà vật lí miễn cưỡng chấp nhận rằng các quark là cái gì đó ngoài việc là những trừu tượng tiện lợi hỗ trợ phân loại hạt sơ cấp. Điện tích phân số trông có vẻ kì cục, và các thí nghiệm liên tiếp nhau không giải phóng được quark tự do (tham khảo bài báo của O. W. Greenberg, Physics Today, số tháng 1/2015, trang 33). Nhưng hai phát triển vào thập niên 1970 đã xác lập tính thực tiễn của các quark. Các thí nghiệm bia cố định với các lepton năng lượng cao được lái vào proton và neutron cho thấy các hadron bia có chứa những thành phần nội tại giống chất điểm. Và vào năm 1974, các nhà vật lí tại Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven và SLAC đã khám phá một hadron lạ với khối lượng 3,1 GeV; hạt đó là một trạng thái liên kết của một quark mới gọi là quark duyên (c) và phản quark của nó. Ngày nay, các nhà vật lí hạt đã nhận ra hai quark thuộc mỗi điện tích khả dĩ, chúng có thể thiết lập một đối xứng liên hệ các cặp quark (u, d) và (c, s) với các cặp lepton (e, νe) và (μ, νμ).
Các khám phá mới nhanh chóng và bất ngờ phá vỡ sự đối xứng đó. Vào năm 1976, các thí nghiệm tại SLAC đã tìm thấy một lepton tích điện thứ hai, hạt tau. Một năm sau đó, các nhà khoa học tại Fermilab khám phá một hadron mới với khối lượng khoảng 10 GeV; họ sớm xác định được nó là một trạng thái liên kết quark-phản quark của một quark khác nữa, quark đáy (b).3
Vào năm 2000, neutrino tau được khám phá tại Fermilab, và các nhà vật lí hiểu rằng các quark và lepton tiêu biểu cho hai loại vật chất tồn tại song song nhưng khác biệt. Quark và lepton đều xuất hiện thành ba thế hệ phần tử ghép cặp với điện tích khác nhau. Nhưng khi lepton tau được tìm thấy lần đầu tiên, bộ đôi quark thế hệ thứ ba đó dường như còn thiếu một thành viên, hạt có sự tồn tại và điện tích (⅔ độ lớn của điện tích electron) được suy luận ra từ khuôn mẫu hiện có. Trước khi tìm thấy nó, các nhà vật lí đã đặt tên cho nó là quark đỉnh (t). Như thế bắt đầu một cuộc tìm kiếm kéo dài trong gần 20 năm trời.
Khi bạn là một tia hạt
Dựa trên tỉ số khối lượng quark đã được quan sát, các nhà vật lí vào cuối thập niên 1970 đề xuất rằng quark đỉnh sẽ nặng gấp chừng ba lần quark đáy; từ đó họ trông đợi nó sẽ xuất hiện ở dạng một hadron nặng mới chứa một cặp đỉnh-phản đỉnh và có khối lượng khoảng 30 GeV. Các máy va chạm electron-positron khi ấy đang được xây dựng ở Đức, Mĩ, và Nhật Bản đua nhau giành lấy vinh quang đó, nhưng họ chẳng tìm thấy dấu hiệu nào của quark đỉnh.
Tiến bộ trong ngành vật lí hạt sơ cấp vốn liên hệ mật thiết với việc xây dựng các máy gia tốc ngày càng mạnh. Vào đầu thập niên 1980, CERN trình làng một loại máy gia tốc mới trong đó các chùm proton và phản proton quay ngược chiều nhau với năng lượng chừng 300 GeV trên mỗi chùm. Các proton và phản proton đó mang các quark và phản quark thành phần của chúng vào va chạm với năng lượng tiêu biểu 50 GeV đến 100 GeV mỗi hạt, nên việc tìm kiếm quark đỉnh có thể được mở rộng đáng kể.
Các thí nghiệm CERN đưa đến khám phá quan trọng của các boson W và Z, chúng có vai trò là hạt mang lực yếu. Nhưng còn chứng minh một phương diện mới của các quark: sự hình thành tia. Các quark liên tục né tránh sự dò tìm trực tiếp mặc dù chúng có thể bị tán xạ dữ dội trong các va chạm năng lượng cao. Các quark năng lượng cao xuất hiện từ vùng tương tác chịu tương tác mạnh, và khi chúng rời khỏi, thì các cặp quark-phản quark được tạo ra từ năng lượng va chạm sẵn có. Vì thế các quark và phản quark được tạo ra kết hợp thành các hadron bình thường mà các thí nghiệm dò thấy. Các hạt hình thành bởi quá trình hadron hóa có xu hướng tích tụ theo hướng quỹ đạo quark ban đầu và do đó được ghi nhận dưới dạng một tia gồm các hạt gần như cộng tuyến.
Với sự ra đời của máy va chạm CERN và, vào năm 1988, máy va chạm proton-phản proton Tevatron còn mạnh hơn nữa của Fermilab, với năng lượng 900 GeV mỗi chùm tia, việc tìm kiếm quark đỉnh chuyển sang những lộ trình mới. Với khối lượng lớn của quark đỉnh nay đã có thể truy xuất, các nhà lí thuyết trông đợi các trạng thái liên kết đỉnh-phản đỉnh sẽ không có thời gian hình thành; thay vậy, các thí nghiệm sẽ tạo ra các quark đỉnh cô lập. Nếu quark đỉnh có khối lượng nhỏ hơn boson W, thì boson W phân hủy thành một quark đỉnh và một quark đáy có thể là mode trội của sự sản sinh quark đỉnh. Thí nghiệm UA1 tại CERN đã báo cáo một số dấu hiệu của quá trình đó4 vào năm 1984, nhưng các thí nghiệm CERN UA2 và Máy dò hạt Máy va chạm (CDF) tại Fermilab sau đó bác bỏ cơ chế đó. Vào năm 1990, nhóm hợp tác CDF xác định được rằng quark đỉnh nặng hơn 91 GeV và do đó loại trừ khả năng boson W có thể phân hủy thành quark đỉnh.
Quark đỉnh nặng hơn 100 GeV được sinh ra át trội dưới dạng các cặp quark đỉnh-phản đỉnh. Theo mô hình chuẩn, quark đỉnh khối lượng lớn sẽ phân hủy hầu như độc nhất thành một boson W và một quark đáy, đồng thời với phản quark. Mỗi quark đáy được sinh ra sẽ hadron hóa vào tia hạt. Boson W có thể phân hủy thành một lepton và neutrino đi cùng của nó hoặc thành một cặp quark sau đó biến thành tia hạt. Hình 1 trình bày một sự kiện sinh quark đỉnh tiêu biểu.
Hình 1. Một cặp đỉnh-phản đỉnh có thể được tạo ra từ sự va chạm của proton và phản proton năng lượng cao. Một quark từ proton phân hủy một phản quark từ phản proton, và theo công thức nổi tiếng E = mc2, năng lượng E được giải phóng bởi sự hủy cặp có thể biến đổi thành khối lượng m của những hạt mới. Quark đỉnh (t) phân hủy thành một boson W và một quark đáy (b), và phản quark đỉnh (t) phân hủy thành những phản hạt tương ứng. Boson W có thể phân hủy thành một cặp quark tạo nên các tia hạt, như mô tả trong văn bản, hoặc nó có thể phân hủy một lepton tích điện và một neutrino. Trong quá trình minh họa ở đây, các sản phẩm phân hủy cuối cùng của quark đỉnh là hai tia hạt đi cùng với các quark phát sinh từ phân hủy boson W và một tia hạt từ một quark đáy; phản quark đáy mang lại một muon, một neutrino, và một tia hạt từ một quark đáy. Lưu ý rằng các tia hạt đi cùng với các quark đáy có chứa những hạt bị dịch chuyển vài milli mét khối vị trí tại đó quark đáy được tạo ra. (Ảnh: Fermilab)
Năm 1992, nhóm hợp tác D0 gia nhập cùng nhóm hợp tác CDF tại Tevatron khi một cuộc đua đường dài bắt đầu khởi động. Hình 2 giới thiệu các máy dò hạt của hai nhóm. Máy dò hạt D0 được thiết kế để nhận dạng các lepton và các tia hạt trên góc dò càng lớn càng tốt. Máy dò hạt CDF, trái lại, được xây dựng để phát hiện các hạt có thời gian sống ngắn tồn tại đủ lâu để đi được một milli-mét hoặc chừng ấy từ điểm tương tác và đặc biệt tốt ở việc cảm biến các tia hạt quark đáy đặc trưng của phân hủy quark đỉnh. Như vậy, mặc dù chúng tìm kiếm cùng một chuỗi phân hủy cơ bản, nhưng hai thí nghiệm có cách tiếp cận bổ sung cho nhau.
Vành đai Tevatron (phía trên bên phải) và vành đai phun hạt chính - ảnh chụp từ trên cao của Fermilab. Ảnh: Fermilab
Hình 2. Các máy dò hạt quy mô, phức tạp là cần thiết để theo dõi các sản phẩm của các phân hủy quark đỉnh. Những máy dò hạt này – Máy dò hạt Máy va chạm tại Fermilab (CDF) ở bên trái và D0 ở bên phải – cân nặng hàng nghìn tấn và chứa hàng triệu kênh nhạy với hàng chục triệu tương tác mỗi giây. Lượng dữ liệu khổng lồ thu từ những máy dò hạt đó đòi hỏi các công cụ phân tích và điện toán hiện đại nhất và rất nhiều công sức: Hàng trăm nhà khoa học trên khắp thế giới đã phân tích dữ liệu CDF và D0 để đi tới những khám phá mới và những phép đo chính xác của những thông số hạt sơ cấp như khối lượng của quark đỉnh. Các nhà khoa học thiết kế và điều hành những máy dò hạt này hoặc phân tích dữ liệu của chúng đến từ 26 quốc gia khác nhau. Ảnh: Fermilab
>> Còn tiếp Phần 2
