Một Thử Nghiệm Mới Đặt Nghi Ngờ Về Lý Thuyết Dẫn Chủng Nguyên Tử

Phiên bản gốc của câu chuyện này xuất hiện trên Tạp chí Quanta.

Một đo lường mới về lực hạt nhân mạnh, liên kết proton và neutron lại với nhau, xác nhận những gợi ý trước đó về một sự thật không thoải mái: Chúng ta vẫn chưa có một sự hiểu biết lý thuyết vững chắc về ngay cả những hệ thống hạt nhân đơn giản nhất.

Để kiểm tra lực hạt nhân mạnh, các nhà vật lý chuyển đến nhân helium-4, có hai proton và hai neutron. Khi nhân helium bị kích thích, chúng phồng như một bóng bay đến khi một trong những proton nổ tung. Ngạc nhiên thay, trong một thử nghiệm gần đây, nhân helium không phồng theo kế hoạch: Chúng phồng nhiều hơn dự kiến trước khi nổ tung. Một đo lường mô tả sự mở rộng đó, gọi là hệ số hình thức, lớn gấp đôi so với những dự đoán lý thuyết.

“Lý thuyết nên hoạt động,” nói Sonia Bacca, một nhà vật lý lý thuyết tại Đại học Johannes Gutenberg Mainz và là tác giả của bài báo mô tả sự không nhất quán, được công bố trong Physical Review Letters. “Chúng tôi bối rối.”

Nhân helium phồng to, các nhà nghiên cứu nói, là một loại phòng thí nghiệm nhỏ để kiểm tra lý thuyết hạt nhân vì nó giống như một kính hiển vi - nó có thể phóng đại những khuyết điểm trong tính toán lý thuyết. Các nhà vật lý nghĩ rằng một số tính đặc biệt trong sự phồng đó khiến nó cực kỳ nhạy cảm đối với những thành phần yếu nhất của lực hạt nhân - những yếu tố nhỏ đến mức thường được bỏ qua. Mức độ phồng của nhân cũng tương ứng với tính linh hoạt của chất hạt nhân, một tính chất mang lại cái nhìn sâu sắc vào trái tim bí ẩn của các ngôi sao neutron. Nhưng trước khi giải thích sự nén của chất trong ngôi sao neutron, các nhà vật lý phải trước tiên tìm ra lý do tại sao dự đoán của họ sai lệch đến vậy.

Bira van Kolck, một nhà lý thuyết hạt nhân tại Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Quốc gia Pháp, nói rằng Bacca và đồng nghiệp đã phơi bày một vấn đề quan trọng trong vật lý hạt nhân. Anh ấy nói, họ đã tìm thấy một trường hợp nơi sự hiểu biết tốt nhất của chúng ta về tương tác hạt nhân - một khung gọi là lý thuyết trường hiệu ứng chi rô - đã không đủ.

“Bước chuyển này làm tăng cường vấn đề [với lý thuyết] mà trong các tình huống khác không quan trọng như vậy,” van Kolck nói.

Lực Hạt Nhân Mạnh

Hạt nhân nguyên tử - proton và neutron - được giữ lại bởi lực mạnh. Nhưng lý thuyết về lực mạnh không được phát triển để giải thích cách các hạt nhân bám lại với nhau. Thay vào đó, nó được sử dụng lần đầu tiên để giải thích cách proton và neutron được tạo ra từ các hạt cơ bản gọi là quark và gluon.

Trong nhiều năm, các nhà vật lý không hiểu cách sử dụng lực mạnh để hiểu sự dinh dưỡng của proton và neutron. Một vấn đề là tính kỳ cục của lực mạnh - nó trở nên mạnh mẽ hơn khi cách xa tăng lên, thay vì chết dần đi. Điều này ngăn chúng sử dụng các chiêu tính toán thông thường của mình. Khi nhà vật lý hạt muốn hiểu về một hệ thống cụ thể, họ thường chia một lực thành các đóng góp xấp xỉ quản lý hơn, sắp xếp những đóng góp đó từ quan trọng nhất đến ít quan trọng nhất, sau đó đơn giản là bỏ qua những đóng góp ít quan trọng. Với lực mạnh, họ không thể làm điều đó.

Sau đó vào năm 1990, Steven Weinberg tìm ra cách kết nối thế giới của quark và gluon với các hạt nhân nhầy. Mánh là sử dụng một lý thuyết trường hiệu ứng - một lý thuyết chỉ chi tiết nếu cần thiết để mô tả tự nhiên ở một quy mô kích thước (hoặc năng lượng) cụ thể. Để mô tả hành vi của một hạt nhân, bạn không cần biết về quark và gluon. Thay vào đó, ở những quy mô này, một lực hiệu ứng mới xuất hiện - lực hạt nhân mạnh, truyền tải giữa các hạt nhân thông qua sự trao đổi của pion.

Công việc của Weinberg đã giúp các nhà vật lý hiểu cách lực hạt nhân mạnh xuất phát từ lực mạnh. Nó cũng làm cho việc thực hiện các tính toán lý thuyết dựa trên phương pháp thông thường của các đóng góp xấp xỉ trở nên khả thi. Lý thuyết - lý thuyết hiệu ứng quiral - hiện nay được coi là "lý thuyết tốt nhất chúng ta có", theo Bacca, để tính toán các lực điều khiển hành vi của các hạt nhân.

Năm 2013, Bacca sử dụng lý thuyết trường hiệu ứng này để dự đoán việc một hạt nhân helium bị kích thích sẽ sưng to bao nhiêu. Nhưng khi cô so sánh tính toán của mình với các thí nghiệm được thực hiện trong những năm 1970 và 1980, cô phát hiện ra một sự không nhất quán đáng kể. Cô đã dự đoán sự sưng nhỏ hơn so với các lượng đo đạc, nhưng thanh ghi lỗi thí nghiệm quá lớn để cô có thể chắc chắn.

Lõi Bóng Nổ

Sau gợi ý đầu tiên về một vấn đề, Bacca khuyến khích đồng nghiệp tại Mainz lặp lại các thí nghiệm cũ từ nhiều thập kỷ trước - họ có công cụ sắc nét hơn và có thể đo đạc chính xác hơn. Những cuộc thảo luận đó dẫn đến một sự hợp tác mới: Simon Kegel và đồng nghiệp sẽ cập nhật công việc thực nghiệm, và Bacca cùng đồng nghiệp sẽ cố gắng hiểu vấn đề không nhất quán tương tự, nếu nó xuất hiện.

Trong thí nghiệm của họ, Kegel và đồng nghiệp kích thích các hạt nhân bằng cách bắn một tia electron vào một bình khí helium lạnh. Nếu một electron đi qua phạm vi của một trong những hạt nhân helium, nó chuyển giao một số năng lượng dư thừa của mình cho proton và neutron, làm cho hạt nhân sưng lên. Trạng thái sưng này chỉ tồn tại thoáng qua - hạt nhân nhanh chóng mất một trong những proton của mình, phân rã thành một hạt nhân hydrogen với hai neutron, cộng với một proton tự do.

Như với các chuyển động hạt nhân khác, chỉ một lượng năng lượng cụ thể được quyên góp sẽ cho phép hạt nhân sưng. Bằng cách biến đổi độ động của electron và quan sát cách helium phản ứng, các nhà khoa học có thể đo lường sự mở rộng. Đội ngũ sau đó so sánh sự thay đổi này trong phạm vi mở rộng của một hạt nhân - hệ số hình thức - với nhiều tính toán lý thuyết khác nhau. Không có một lý thuyết nào khớp với dữ liệu. Nhưng, kỳ lạ thay, tính toán gần nhất sử dụng một mô hình quá đơn giản của lực hạt nhân - không phải là lý thuyết hiệu ứng quiral hiệu quả.

“Điều này hoàn toàn ngoài dự kiến,” Bacca nói.

Các nghiên cứu khác cũng bí ẩn như nhau. “Đó là một thí nghiệm sạch sẽ và được thực hiện tốt. Vì vậy, tôi tin tưởng vào dữ liệu,” Laura Elisa Marcucci, một nhà vật lý tại Đại học Pisa ở Ý nói. Nhưng, cô nói, thí nghiệm và lý thuyết mâu thuẫn lẫn nhau, vì vậy một trong số chúng phải là sai.

Đưa Cân Bằng Cho Lực Hạt Nhân

Nhìn lại, các nhà vật lý có nhiều lý do để nghi ngờ rằng đo lường đơn giản này sẽ khám phá ra ranh giới của sự hiểu biết của chúng ta về lực hạt nhân.

Thứ nhất, hệ thống này đặc biệt khó chiều. Năng lượng cần thiết để tạo ra hạt nhân helium sưng lên tạm thời - trạng thái mà các nhà nghiên cứu muốn nghiên cứu - nằm ngay phía trên năng lượng cần thiết để đẩy một proton ra khỏi và ngay dưới ngưỡng năng lượng đó cho một neutron. Điều đó khiến mọi thứ trở nên khó tính toán.

Lý do thứ hai liên quan đến lý thuyết hiệu ứng của Weinberg. Nó hoạt động vì nó cho phép các nhà vật lý bỏ qua các phần ít quan trọng của các phương trình. Van Kolck cho rằng một số phần được coi là không quan trọng và thường xuyên bị bỏ qua thực sự rất quan trọng. Kính hiển vi được cung cấp bởi đo lường helium cụ thể này, ông nói, đang chiếu sáng cho lỗi cơ bản đó.

“Tôi không thể quá chỉ trích vì những phép tính này rất khó,” ông thêm. “Họ đang làm hết khả năng của mình.”

Nhiều nhóm, bao gồm cả nhóm của van Kolck, dự định lặp lại các phép tính của Bacca và tìm ra điều gì đã sai. Có thể việc đơn giản là thêm nhiều thuật ngữ hơn trong xấp xỉ của lực hạt nhân có thể là câu trả lời. Ngược lại, cũng có khả năng những hạt nhân helium sưng lên này đã phơi ra một khuyết điểm chết người trong sự hiểu biết của chúng ta về lực hạt nhân.

“Chúng tôi đã phơi ra bức tranh, nhưng không may mắn là chúng tôi chưa giải quyết bức tranh,” Bacca nói. “Chưa đâu.”

Bài viết gốc được tái in với sự cho phép của Quanta Magazine, một tờ báo độc lập về biên tập với sứ mệnh nâng cao sự hiểu biết của công chúng về khoa học bằng cách bao quát các phát triển nghiên cứu và xu hướng trong toán học và các ngành khoa học tự nhiên và cuộc sống.