Alfred B. Bortz
Quark mùi và Lực “màu” mạnh
Như đã lưu ý ở trên và minh họa trong biểu đồ SU(2), số 2 mô tả một sự đối xứng quay bậc hai. Nhưng bỏ qua các nhãn (p, n, lambda, sigma, xi), thì bộ mười hạt trong biểu đồ đó tạo thành một hình lục giác và do đó còn có thể có đối xứng bậc ba, hoặc cả đối xứng quay bậc sáu. Nhưng sao không là SU(6)? 10 hạt nhóm lại trong biểu đồ SU(3) cho câu trả lời đó. Chúng tạo thành một tam giác, nó phải quay qua một phần ba vòng tròn trước khi trở lại thẳng hàng như cũ. Một phần sáu vòng tròn thì không đủ.
Điều này trông có vẻ như đang chơi một trò chơi toán học, ngoại trừ ở chỗ các hạt hạ nguyên tử không lắp vừa vào một mẩu như vậy. Thử thách tiếp theo cho các nhà vật lí là tìm hiểu cơ sở vật lí cho mẩu hình đó. Việc phát hiện ra SU(3) là một thành tựu lớn, giống như việc Mendeleev nghĩ ra bảng tuần hoàn các nguyên tố, nhưng đúng là giống như công trình của Mendeleev, nó chỉ là bước đầu tiên để tìm hiểu trọn vẹn. Nguyên nhân cho sự sắp xếp tuần hoàn của các nguyên tố không được làm sáng tỏ mãi cho đến khi phát hiện ra proton, neutron, electron và cơ học lượng tử. Các nguyên tử và kể cả các hạt nhân hóa ra chẳng phải là cơ bản. Điều tương tự ấy có đúng cho các baryon, gồm proton và neutron, hay không? Câu trả lời hóa ra là “đúng”, và trí tuệ lớn của Gell-Mann là đã nhìn thấy sự đối xứng SU(3) của baryon có được từ việc mỗi baryon gồm ba hạt thành phần. Nhà lí thuyết Caltech đồng chí của Gell-Mann, George Zweig (1937– ) đã phát triển ý tưởng tương tự một cách độc lập và đồng thời khi đang làm việc tại trung tâm hạt nhân châu Âu CERN ở Geneva, Thụy Sĩ.
Dựa trên ý tưởng đó, Gell-Mann đã phát triển một lí thuyết đầy đủ của lực mạnh. Các ý tưởng của ông quá căn nguyên cho nên ông phải phát triển toàn bộ kho từ vựng mới để làm việc với cơ sở toán học. Ông chọn ngôn ngữ dễ nhớ theo sự khôi hài của nó cũng như tầm quan trọng vật lí của nó. Đối với các hạt thành phần ấy, ông quyết định đặt tên chúng là quark. Zweig gọi chúng là quân xì [quân át trong bài tây], nhưng tên gọi của Gell-Mann thắng thế. Như Gell-Mann giải thích trong quyển sách của ông mang tựa đề Hạt quark và Con báo đốm, ban đầu ông đi đến với từ kwork. Ông đã vay mượn cách ghép vần từ một dòng trong quyển Finnegans Wake của nhà viết tiểu thuyết James Joyce, “Ba quark cho ngài Mark” và rồi đi đến chỗ gieo vần nó với từ “Mark”. Để phân biệt ba quark, các nhà vật lí sớm nói đến các mùi khác nhau của chúng – lên (up), xuống (down) và lạ (strange). Lí thuyết đòi hỏi quark lên (u) mang điện tích 2/3 điện tích proton (+2/3), còn quark xuống (d) và quark lạ (s) có 1/3 điện tích electron (-1/3). Người ta mô tả thành phần của proton là “uud” và của neutron là “ddu”. Số lượng tử lạ của một hạt phụ thuộc vào có bao nhiêu quark lạ chứa trong hạt đó. Hạt lambda, chẳng hạn, có cấu tạo là uds, điều đó giải thích số lạ của nó là 1 và điện tích của nó là 0.
Một trở ngại lớn đối với lí thuyết trên là không có một thí nghiệm nào từng phát hiện ra một hạt có điện tích khác ngoài một số nguyên lần điện tích proton hay electron – không phân nửa, không một phần ba hay bất kì tỉ lệ nào khác. Có thể là các quark liên kết với nhau theo kiểu sao cho chúng không bao giờ tách rời nhau? Một vấn đề nữa là làm thế nào mô tả lực hạt nhân mạnh nếu các proton và neutron (thật ra là mọi baryon) là những hạt có cấu trúc chứ không phải những hạt đơn nhất. Có phải lí thuyết rất thành công của Yukawa cần phải thay đổi hay không? Xét câu hỏi thứ hai trước, câu trả lời nằm ở bản chất của các meson. Các meson, không giống như các baryon, chỉ gồm có hai quark, hay đặc biệt hơn, một quark ghép cặp với một phản quark. Thí dụ, hạt pion trung hòa là một quark u ghép cặp với một phản quark u hoặc một quark d ghép cặp với một phản quark d. Hạt pion cộng là gồm một u cộng với một phản d, và hạt pion trừ là một d cộng với một phản u.
Trong lí thuyết của Yukawa, lực mạnh giữ hạt nhân lại với nhau có nguồn gốc từ chỗ các proton và neutron trao đổi các pion ảo – những hạt lúc ẩn lúc hiện và vi phạm định luật bảo toàn năng lượng nhưng chỉ tồn tại trong một khoảng thời gian ngắn mà nguyên lí bất định cho phép. Một proton có thể nhận một pion trừ do một neutron phát ra, biến proton thành neutron và neutron thành proton. Trong lí thuyết mới của Gell-Mann, hạt pion âm được xem là một cặp quark, một quark d và một phản quark u. Neutron ddu gồm một quark d nhưng không có phản quark u. Tuy nhiên, nguyên lí bất định cho phép một cặp u/phản u đi vào tồn tại từ hư vô nếu thời gian sống của nó đủ ngắn. Phản quark u kết hợp với một quark d tạo ra một pion âm và để đối tác quark u của nó lại trong neutron ddu ban đầu. Kết quả chung là ddu mất một “d” và thêm một “u”, biến nó thành uud – một proton. Pion âm là một hạt ảo, nên nó chỉ trong tíc tắc (thời gian quá ngắn để mà đo) gia nhập với proton ban đầu. Phản quark lên của pion phân hủy một trong các quark lên của proton, và còn lại quark xuống từ pion. Kết quả là proton uud đã trở thành neutron ddu.
Gell-Mann đã phát triển một lí thuyết mới của tương tác mạnh dựa trên đối xứng SU(3) đã được quan sát thấy. Lí thuyết đó phát biểu rằng proton, neutron, và các baryon khác cấu tạo gồm ba quark, và chúng tương tác bằng cách trao đổi các meson ảo, chúng gồm một quark và một phản quark.
Những sự trao đổi tương tự xảy ra với các hạt pion dương ảo do proton phát ra và bị hấp thụ bởi neutron hoặc các pion trung hòa ảo tráo đổi giữa các cặp proton hoặc các cặp neutron. Nếu một va chạm cấp đủ năng lượng, thì một pion không còn là ảo nữa và có thể bị run lắc khỏi hạt nhân. Khi điều đó xảy ra với pion trung hòa, thì quark và phản quark của nó nhanh chóng hủy lẫn nhau, và kết quả là một cặp tia gamma hoặc một electron và một positron vọt ra ở tốc độ cao theo hai hướng ngược nhau. Các pion tích điện có một quark và phản quark thuộc hai mùi khác nhau (một lên, một xuống), nên chúng không hủy lẫn nhau. Hạt pion đó tồn tại trong khoảng 26 nano giây, giữ lại với nhau bằng lực hạt nhân yếu, trước khi phân hủy thành các muon và muon neutrino (phát hiện ra lần đầu tiên tại Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven năm 1962). Trông như ngắn ngủi, nhưng thời gian đó bằng 300 triệu lần thời gian sống của các pion trung hòa và đủ lâu cho các pion tích điện chuyển động nhanh để lại những vết tích dễ nhận thấy trong buồng dò tìm.
Phần quan trọng nhất của lí thuyết trên là lời giải thích của nó cho câu hỏi các quark liên kết với nhau như thế nào và tại sao liên kết đó lại chặt chẽ tới mức không ai từng phát hiện ra một hạt với điện tích phân số. Không giống như lực hấp dẫn và lực điện từ, chúng tác dụng lên các tính chất của vật chất có thể đo đối với các vật thể hàng ngày – khối lượng và điện tích – lực hạt nhân tác dụng lên một tính chất chỉ tồn tại trong các quark. Các nhà vật lí không có tên gọi cho tính chất đó, nhưng rõ ràng là nó có ba dạng, nên Gell-Mann gọi nó là màu và đã đặt ra các tên đỏ, lục và lam, giống như sự phát sáng tổng hợp của ba chấm tạo ra hình ảnh truyền hình màu. Lí thuyết của ông phát biểu rằng mỗi mùi của quark xuất hiện với ba màu. Các phản quark xuất hiện với các phản màu. Khi ba quark thuộc những màu khác nhau đến chung với nhau như để tạo ra màu trắng, thì chúng biểu hiện một lực hút khủng khiếp lên nhau, tạo ra một baryon. Tương tự, nếu một quark với một màu đặc biệt tiến đến với một phản quark có cùng phản màu, thì chúng liên kết mạnh, tạo ra một meson. Không giống như lực hấp dẫn và lực điện từ, chúng giảm khi các hạt chuyển ra xa nhau, lực màu hành xử giống như một cuộn lò xo, hút các quark lại với nhau với cường độ tăng dần khi chúng càng ra xa nhau. Đó là nguyên do vì sao các quark liên kết không thể chia tách được.
Lí thuyết đó tỏ ra thành công đến mức Gell-Mann được tặng thưởng Giải Nobel Vật lí năm 1969 cho “những đóng góp và khám phá của ông về sự phân loại các hạt cơ bản và các tương tác của chúng”. Trích dẫn trên không nhắc đến các quark, vì khi ấy, không ai có bằng chứng xác thực rằng chúng thật sự tồn tại. Giống như các photon và phản vật chất khi lần đầu tiên được đề xuất, các quark tỏ ra là những cấu trúc toán học hữu dụng cho dù chúng có mặt hay không dưới dạng một thực thể vật lí đích thực. Nhưng không giống như Planck và Dirac, hoặc có lẽ đã rút kinh nghiệm từ họ, Gell-Mann tin chắc các quark không phải là thứ bịa đặt trong lí thuyết của ông.
Các nhà vật lí khác tán thành và bắt tay vào tìm kiếm chúng. Đầu năm 1968, tại Trung tâm Máy gia tốc Thẳng Stanford (SLAC), các nhà nghiên cứu đi theo con đường giống như Rutherford đã dùng để tìm ra hạt nhân. Họ hướng một chùm electron năng lượng cao vào các proton và nhìn vào hình ảnh tán xạ. Các thí nghiệm cực kì khó thực hiện vì các electron cần phải được gia tốc đến những tốc độ cao sao cho bước sóng của chúng nhỏ hơn các proton (Các electron trong nguyên tử có bước sóng có thể sánh với kích thước quỹ đạo của chúng, lớn chừng bằng 100.000 lần proton). Ngoài ra, như trong thí nghiệm Rutherford, đa số các electron sẽ đi qua mà không chạm trúng hạt nhân. Các nhà vật lí tại CERN đã tiến hành những thí nghiệm tương tự sử dụng neutrino. Năm 1972, các kết quả thí nghiệm đã sáng tỏ. Sự tán xạ electron và neutrino khỏi proton là không đều. Những so sánh cẩn thận các kết quả cho thấy các proton dường như vón cục lại theo kiểu giống như lí thuyết quark tiên đoán, gồm ba hạt với điện tích phân số.
Phần quan trọng của lí thuyết quark là lời giải thích tại sao các quark không tồn tại riêng lẻ. Chúng có một tính chất mà Gell-Mann gọi là “màu”; màu có ba giá trị - đỏ, lam và lục – và chúng kết hợp với nhau tạo ra màu trắng. Thay vì yếu dần giống như lực hấp dẫn, lực màu tăng lên khi các quark càng cách xa nhau, điều đó giải thích vì sao chúng luôn luôn liên kết với nhau.
Còn tiếp...
