Kể từ khi bắt đầu phiên hoạt động thứ hai vào năm 2015, Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC) đã và đang mang lại nhiều điều thú vị. Chẳng hạn, bắt đầu vào năm 2016, các nhà nghiên cứu tại CERN đã bắt đầu sử dụng máy va chạm để tiến hành thí nghiệm LHCb. Đây là nghiên cứu tìm cách xác định cái xảy ra sau Big Bang khiến vật chất có thể sống sót và tạo ra Vũ trụ mà chúng ta biết ngày nay.
Trong vài tháng trở lại đây, thí nghiệm trên đã mang lại một số kết quả ấn tượng, ví dụ như phép đo một dạng phân hủy hạt rất hiếm và bằng chứng của một hiện thân mới của bất đối xứng vật chất-phản vật chất. Và mới đây nhất, các nhà nghiên cứu LHCb vừa công bố khám phá một hệ thống mới gồm năm hạt, toàn bộ chúng đều được quan sát thấy trong một phân tích đơn lẻ.
Một sự kiện LHCb tiêu biểu được tái hiện trọn vẹn. Các hạt được nhận dạng là pion, kaon, vân vân, được thể hiện bằng những màu sắc khác nhau. Ảnh: Nhóm hợp tác LHCb
Theo bài báo nghiên cứu trên, vừa xuất hiện trên arXiv hôm 14/3/2017, các hạt được phát hiện là trạng thái kích thích của cái gọi là baryon “Omega-c-zero”. Giống như các hạt khác thuộc họ hàng của nó, Omega-c-zero có cấu tạo gồm ba quark – hai quark “lạ” (strange) và một quark “duyên” (charm). Sự tồn tại của baryon này đã được xác nhận hồi năm 1994. Kể từ đó, các nhà nghiên cứu tại CERN đã tìm cách xác định liệu có những phiên bản nặng hơn hay không.
Và nay, nhờ thí nghiệm LHCb, có vẻ như họ đã tìm thấy chúng. Chìa khóa là xác định quỹ đạo và năng lượng mà các hạt để lại trong detector trong cấu hình cuối cùng của chúng và lần theo đến trạng thái ban đầu của chúng. Về cơ bản, các hạt Omega-c-zero phân hủy thông qua lực mạnh thành một loại baryon khác (Xi-c-cộng) và sau đó thông qua lực yếu thành proton, kaon, và pion.
Từ đây, các nhà nghiên cứu đã có thể xác định rằng cái họ đang nhìn thấy là các hạt Omega-c-zero ở các trạng thái năng lượng khác nhau (tức là ở các kích cỡ và khối lượng khác nhau). Biểu diễn theo mega-electron-volt (MeV), những hạt này có khối lượng lần lượt là 3000, 3050, 3066, 3090, và 3119 MeV. Khám phá này khá độc đáo, vì nó tìm thấy cùng một lúc năm trạng thái năng lượng cao của một hạt.
Khám phá này thực hiện được là nhờ năng lực chuyên biệt của detector LHCb và bộ dữ liệu đồ sộ tích góp từ đợt chạy thứ nhất và thứ hai của LHC – tương ứng chạy từ 2009 đến 2013, và từ 2015. Với thiết bị thích hợp và kinh nghiệm sẵn có, các nhà nghiên cứu đã có thể nhận ra các hạt với độ tin cậy hợp lí, loại trừ khả năng ngẫu nhiên thống kê trong dữ liệu.
Khám phá trên cũng được kì vọng làm sáng tỏ thêm một số bí ẩn sâu sắc của các hạt hạ nguyên tử, như làm thế nào ba quark thành phần liên kết bên trong một baryon bằng “lực mạnh” – tức là lực cơ bản có nhiệm vụ thực hiện các liên kết bên trong các nguyên tử. Một bí ẩn khác mà khám phá này có thể giúp giải quyết là mối tương quan giữa các trạng thái quark khác nhau.
Như tiến sĩ Greig Cowan – một nhà nghiên cứu đến từ Đại học Edinburgh, người làm việc tại thí nghiệm LHCb ở CERN – giải thích trong một bài phỏng vấn với BBC:
“Đây là một khám phá nổi bật sẽ làm sáng tỏ thêm về cách các quark liên kết với nhau. Nó không những giúp hiểu rõ hơn proton và neutron, mà cả những trạng thái bội quark kì lạ hơn, ví dụ như pentaquark và tetraquark.”
Bước tiếp theo sẽ làm xác định số lượng tử của những hạt mới này (con số dùng để nhận dạng đặc tính của một hạt nhất định) đồng thời xác định ý nghĩa lí thuyết của chúng. Kể từ khi đi vào hoạt động, LHC đã và đang giúp xác nhận Mô hình Chuẩn của ngành vật lí hạt, đồng thời vươn ra khỏi nó để thám hiểm những cái chưa biết làm cho Vũ trụ hiện hữu, và làm thế nào các lực cơ bản chi phối nó ăn khớp với nhau.
Khám phá năm hạt mới này có thể là một bước trọng yếu trên con đường hướng tới một Lí thuyết của Tất cả (ToE), hoặc có thể chỉ là một mảnh ghép khác trong bức tranh ghép đại khổng lồ là sự tồn tại của chúng ta. Hãy cứ chờ xem!
Nguồn: CERN, LHCb, arXiv
