Trình kỳ Electron-Ion mới có thể giải mã bí ẩn về cách chất liệu tồn tại cùng nhau

Khi nhà vật lý người Mỹ đoạt giải Nobel Robert Hofstadter và đội của ông bắn các electron có năng lượng cao vào một ống nhỏ chứa hydro tại Trung Tâm Tăng Tốc Đường Thẳng Stanford vào năm 1956, họ mở ra một kỷ nguyên mới của vật lý. Cho đến thời điểm đó, được nghĩ rằng proton và neutron, tạo nên hạt nhân nguyên tử, là các hạt cơ bản nhất trong tự nhiên. Chúng được coi là “chấm” trong không gian, thiếu kích thước vật lý. Bây giờ thì rõ ràng rằng những hạt này không phải là cơ bản chút nào, và có kích thước và cấu trúc nội tại phức tạp.

Những gì Hofstadter và nhóm của ông thấy là sự lệch nhỏ trong cách electron “phân tán”, hoặc va đập, khi chạm vào hydro. Điều này gợi ý rằng có nhiều hơn trong hạt nhân ngoài những proton và neutron như những hạt chấm mà họ đã tưởng tượng. Các thí nghiệm tiếp theo trên toàn cầu tại các trạm tăng tốc - các máy đẩy hạt lên năng lượng rất cao - đã đánh dấu một sự chuyển đổi mô hình trong sự hiểu biết của chúng ta về chất liệu.

Tuy nhiên, vẫn còn rất nhiều điều chúng ta chưa biết về hạt nhân nguyên tử - cũng như về “lực mạnh”, một trong bốn lực cơ bản của tự nhiên, giữ chúng lại. Bây giờ, một máy tăng tốc hoàn toàn mới, Electron-Ion Collider, sẽ được xây dựng trong thập kỷ tới tại Viện Laboratorium Quốc gia Brookhaven ở Long Island, Hoa Kỳ, với sự hỗ trợ của 1,300 nhà khoa học từ khắp nơi trên thế giới, có thể giúp nâng cao sự hiểu biết của chúng ta về hạt nhân lên một tầm cao mới.

Lực mạnh nhưng kỳ lạ

Sau những phát hiện của những năm 1950, sớm trở nên rõ ràng rằng các hạt được gọi là quark và gluon là những khối xây dựng cơ bản của chất liệu. Chúng là thành phần của hàdron, đó là tên chung cho proton và các hạt khác. Đôi khi người ta tưởng tượng rằng những loại hạt này ghép lại như Lego, với quark trong một cấu hình nhất định tạo nên proton, và sau đó proton và neutron kết hợp để tạo ra hạt nhân, và hạt nhân thu hút electron để tạo thành nguyên tử. Nhưng quark và gluon không hề tĩnh lặng như những khối xây dựng cứng nhắc.

Một lý thuyết gọi là cromodynamics lượng tử mô tả cách lực mạnh hoạt động giữa quark, thông qua gluon, là những người mang lực. Tuy nhiên, nó không thể giúp chúng ta tính toán phân tích các đặc tính của proton. Điều này không phải là lỗi của các nhà lý thuyết hay máy tính của chúng ta — các phương trình đơn giản không thể giải quyết được.

Đây là lý do tại sao việc nghiên cứu thực nghiệm về proton và các hạt hàdron khác rất quan trọng: để hiểu về proton và lực liên kết nó, chúng ta phải nghiên cứu nó từ mọi góc độ. Vì vậy, máy tăng tốc là công cụ mạnh mẽ nhất của chúng ta.

Tuy nhiên, khi bạn nhìn vào proton với một máy kích hoạt hạt nhỏ (một loại máy tăng tốc sử dụng hai chùm), những gì chúng ta thấy phụ thuộc vào độ sâu — và với những gì chúng ta nhìn: đôi khi nó xuất hiện như ba quark thành phần, đôi khi như một đại dương của gluon, hoặc một biển đầy cặp quark và các phần tử chống hạt của chúng (các phần tử chống hạt gần giống như phần tử, nhưng có điện tích ngược hoặc các đặc tính lượng tử khác nhau).

Vì vậy, trong khi hiểu biết của chúng ta về chất liệu ở tỷ lệ nhỏ nhất này đã có sự tiến bộ lớn trong 60 năm qua, vẫn còn rất nhiều bí ẩn mà công cụ hiện đại không thể hoàn toàn giải quyết. Tính chất của việc giam giữ quark trong hạt hàdron là gì? Làm thế nào khối lượng của proton nảy sinh từ quark gần như không khối lượng, nhẹ 1.000 lần?

Để trả lời những câu hỏi như vậy, chúng ta cần một kính hiển vi có thể hình ảnh cấu trúc của proton và hạt nhân ở mọi tỷ lệ phóng đại với chi tiết tinh xảo, và xây dựng hình ảnh 3D về cấu trúc và động học của chúng. Đó chính xác là điều mà máy kích hoạt mới sẽ làm.

Thiết lập thực nghiệm

Trình kích hoạt Electron-Ion (EIC) sẽ sử dụng một chùm electron cực kỳ mạnh mẽ làm công cụ thăm dò, từ đó có thể cắt ra proton hoặc hạt nhân và nhìn vào cấu trúc bên trong. Nó sẽ thực hiện điều đó bằng cách va chạm giữa một chùm electron với một chùm proton hoặc ion (nguyên tử có điện tích) và xem cách mà electron phân tán. Chùm ion này là loại đầu tiên trên thế giới.

Những hiệu ứng gần như không thể nhận biết, như các quá trình phân tán hiếm gặp chỉ có thể quan sát một lần trong một tỉ va chạm, sẽ trở nên rõ ràng. Bằng cách nghiên cứu những quá trình này, chính tôi và các nhà khoa học khác sẽ có thể tiết lộ cấu trúc của proton và neutron, cách nó được sửa đổi khi chúng bị ràng buộc bởi lực mạnh, và cách mà các hạt hàdron mới được tạo ra. Chúng ta cũng có thể khám phá loại vật chất được tạo thành từ gluon thuần túy — điều chưa từng được nhìn thấy.

Máy kích hoạt sẽ có thể điều chỉnh ở một loạt các năng lượng: giống như việc xoay nút phóng đại trên kính hiển vi, càng cao năng lượng, bạn có thể nhìn sâu vào proton hoặc hạt nhân và có thể phân biệt rõ những đặc điểm tinh tế hơn.

Các đội ngũ nhà khoa học mới hình thành trên toàn thế giới, là phần của đội ngũ EIC, cũng đang thiết kế các bộ cảm biến, sẽ được đặt tại hai điểm va chạm khác nhau trong máy kích hoạt. Một số khía cạnh của nỗ lực này được dẫn dắt bởi các nhóm từ Anh, vừa được trao một đợt tài trợ để dẫn đầu trong việc thiết kế ba thành phần quan trọng của bộ cảm biến và phát triển các công nghệ cần thiết để thực hiện chúng: cảm biến để theo dõi chính xác các hạt mang điện tích, cảm biến để phát hiện electron bị phân tán gần với tuyến electron và cảm biến để đo hướng quay (định hướng xoay) của các hạt bị phân tán trong các va chạm.

Bài viết bởi Daria Sokhan, Chủ tịch Blaise Pascal, CEA Saclay, Pháp / Giảng viên cao cấp, Khoa Vật lý và Thiên văn, Đại học Glasgow

Bài viết được tái xuất bản từ The Conversation dưới giấy phép Creative Commons. Đọc bài viết gốc.