Các nhà vật lý học tìm ra manh mối đầu tiên về “hạt keo”

Trong vật lý hạt, Mô hình Chuẩn, nguyên văn “Standard Model”, là học thuyết mô tả 3 trong 4 lực cơ bản mà chúng ta biết tới. Nó là chỗ dựa vững chắc cho cách vật lý hiểu về lực, về các hạt vật chất tạo nên vũ trụ này. Có thể hình dung Mô hình Chuẩn chính là bảng tuần hoàn của ngành vật lý hạt.

Mô hình chuẩn phân loại tất cả các hạt hạ nguyên tử, hay còn gọi là hạt cơ bản. Các hạt trong mô hình chia thành fermion cơ bản bao gồm 6 loại quark, 6 loại lepton (với electron là một trong số đó); và boson cơ bản bao gồm hạt Higgs (hay còn được gọi với cái tên "Hạt của Chúa"), photon - đại diện cho điện từ, gluon - đại diện cho lực mạnh, boson W và boson Z - đại diện cho lực yếu.

Mô hình chuẩn dự đoán sự tồn tại của rất nhiều hạt, tuy vậy trong tự nhiên vẫn còn nhiều loại hạt bí ẩn lẩn tránh con mắt tò mò của giới khoa học. Trong số đó có “hạt keo”, biệt danh “glueball”, là một nhóm hạt cấu thành từ gluon - loại hạt truyền lực mạnh. Có thể nói hạt keo là một thứ hạt cấu thành hoàn toàn từ lực.

Bấy lâu nay, giới vật lý hạt vẫn tìm cách chứng minh sự tồn tại của thứ hạt bí ẩn này. Và trong diễn biến mới nhất, các nhà vật lý tại một cơ sở máy gia tốc hạt tại Bắc Kinh vừa tìm thấy dấu vết của hạt keo. Nỗ lực nghiên cứu kéo dài nhiều thập kỷ phát hiện ra một loại hạt mới phân rã từ meson J/ψ, họ tạm gọi tên hạt mới là X(2370).

Điểm khác biệt mấu chốt giữa hạt keo và các hạt khác nằm tại thành phần cũng như những tương tác mà chúng đại diện. Ở những hadron khác, như proton và neutron, thì gluon hoạt động như “chất keo” truyền lực mạnh giữa các quark. Ngược lại, hạt keo thì tồn tại ở trạng thái gluon thuần, được cấu tạo từ chỉ gluon. Tương tác độc đáo giữa các gluon khiến hạt keo đặc biệt.

Việc phát hiện, nghiên cứu hạt keo vốn gặp khó vì dựa trên kiến thức đã biết, các nhà khoa học cho rằng chúng sẽ hòa lẫn với những hạt chứa quark khác và phân rã thành những hạt quen thuộc. Điều đó khiến chúng khó bị phát hiện trong môi trường thử nghiệm.

Nhưng kể từ khi đi vào hoạt động vào năm 2008, dự án Quang phổ kế Bắc Kinh III - dự án được thực hiện tại Máy gia tốc Electron-Positron Bắc Kinh - đã phát hiện ra 10 tỷ sự kiện mà tại đó, hạt meson J/ψ hình thành.

Hạt meson J/ψ đặc biệt bất ổn định, tuổi đời của chúng ngắn ngủi và nhanh chóng phân rã thành một loại hạt khác, trong số đó bao gồm hạt X(2370).

Hạt X(2370) mang những đặc tính có thể có trên một hạt keo: chúng không tích điện, có cách bắt cặp kỳ lạ và mang một khối lượng khớp với dự đoán về hạt keo trước đây. Phát hiện mới đồng thời trùng khớp với dự đoán đưa ra bởi ngành vật lý lý thuyết “phổ màu động lượng tử” (tạm dịch từ “quantum chromodynamics, vốn dùng trong nghiên cứu tương tác lực mạnh giữa các quark thông qua gluon).

Theo lời các nhà nghiên cứu tại Trung Quốc, thì tỷ lệ dị thường ngẫu nhiên trong thống kê, hay nói cách khác là tỷ lệ để phát hiện mới chỉ là một lỗi trong hệ thống, chỉ là 0,00006%. Báo cáo khoa học đã được đăng tải trên tạp chí Physical Review Letters.

Tuy vậy, giới vật lý vẫn còn lý do để hoài nghi. Tỷ lệ sinh hạt X(2370) không khớp với dự đoán về hình thành hạt keo trước đây. Theo nhà vật lý, nhà báo khoa học Ethan Siegel, không loại trừ khả năng X(2370) là một trạng thái hạt đặc biệt chứ không phải là một hạt cụ thể.

Siegel cho rằng cần thêm nghiên cứu mới để khẳng định bản chất thực sự của X(2370), tuy nhiên ông nhận định sự tồn tại của X(2370) là “bằng chứng rõ ràng nhất từng được biết đến về sự tồn tại của hạt keo”.

Ông nói thêm: “Nếu hạt keo không tồn tại trong tự nhiên, thì Mô hình Chuẩn có lẽ có vấn đề. Tuy nhiên nếu hạt keo thực sự tồn tại, thì X(2370) có lẽ là [hạt keo] đầu tiên lộ diện trước con mắt nhân loại”.