Khám phá tetraquark “duyên mở” đầu tiên

Thí nghiệm LHCb tại CERN đã phát triển một cách mới để tìm ra những kết hợp lạ của các hạt quark, hạt cơ bản liên kết với nhau để hợp lại thành những hạt quen thuộc như proton và neutron. Cụ thể, LHCb đã quan sát nhiều tetraquark được tạo thành từ bốn hạt quark (hoặc hai quark và hai phản quark).

Quan sát những hạt hiếm đó giúp các nhà khoa học có thể tăng thêm hiểu biết về lực tương tác mạnh, một trong bốn lực cơ bản trong vũ trụ. Tại seminar do CERN tổ chức ngày 12/8/2020, LHCb đã loan báo các tín hiệu đầu tiên của một dạng tetraquark hoàn toàn mới với khối lượng 2,9 GeV/c²: quan sát đầu tiên có hạt chỉ với một quark duyên.

Dự đoán đầu tiên đưa ra vào năm 1964, các nhà khoa học đã quan sát sáu loại quark (và các phản quark) trong phòng thí nghiệm, gồm quark lên, quark xuống, quark duyên, quark lạ, quark đỉnh và quark đáy. Kể từ khi các quark đó không tồn tại một cách tự do, chúng tổ hợp lại để hình thành các hạt mới: ba quark hoặc bốn phản quark hình thành “baryon” như proton, trong khi một quark và một phản quark hình thành “meson”.

Máy dò LHCb ở Máy gia tốc hạt lớn (LHC) được các nhà khoa học phát triển để nghiên cứu về B meson, vốn chứa cả hai hạt quark dưới hoặc một phản quark dưới. Chỉ một thời gian ngắn sau khi được tạo ra từ va chạm proton–proton tại LHC, các hạt meson nặng biến đổi – hoặc “phân rã” – thành một nhóm vô số các hạt nhẹ hơn. Các nhà khoa học tham gia thí nghiệm LHCb đã quan sát các dấu hiệu của hạt tetraquark mới từ một trong những phân rã như vậy, trong đó B meson mang điện tích được chuyển đổi thành D meson mang điện tích dương, một D meson mang điện tích âm và một kaon mang điện tích dương: B+→D+D−K+. Về tổng thể, họ tìm hiểu khoảng 1.300 ứng viên cho biến đổi cụ thể này có trong mọi dữ liệu mà máy dò LHCb đã ghi nhận được.

Mô hình quark dự đoán là các cặp D+D− trong quá trình chuyển đổi này có thể là kết quả của các hạt trung gian – như ψ(3770) meson – vốn hiển thị ngay tức thì: B+→ψ(3770)K+→D+D−K+. Dẫu vậy, lý thuyết không dự đoán được kết quả của các hạt trung gian như meson trong cặp D−K+. LHCb do đó đã ngạc nhiên thấy dải băng trong dữ liệu của mình tương ứng với sự chuyển đổi trạng thái của một hạt trung gian thành một cặp D−K+ với khối lượng khoảng 2.9 GeV/c², hoặc gấp ba lần khối lượng của một proton.

Dữ liệu này đã được phân tích như tín hiệu đầu tiên về trạng thái lạ mới của bốn hạt quark: một phản quark duyên, một quark lên, một quark xuống và một phản quark lạ (c̄uds̄). Tất cả các trạng thái như tetraquark trước đây do LHCb quan sát luôn luôn có một cặp quark duyên – phản duyên, kết quả trong một cân bằng “duyên – hương”. Trạng thái mới được quan sát này lần đầu tiên là một tetraquark chứa một quark duyên đơn độc, vốn được gán cho cái tên một tetraquark “duyên – mở”.

“Khi lần đầu tiên thấy điều này trong dữ liệu thu thập được, thậm chí chúng tôi đã nghĩ đó là lỗi”, Dan Johnson, người phụ trách phân tích LHCb, nói. “Sau nhiều năm phân tích dữ liệu này, chúng tôi mới coi đây là điều mới”.

Tại sao đây là điều quan trọng? Vì nó xảy ra bất ngờ đến mức cả “ban giám khảo” còn chưa biết một tetraquark thực sự là gì. Một số mô hình lý thuyết có xu hướng thiên vị quan điểm các tetraquark là những cặp meson ở khoảng cách gần liên kết với nhau một cách tạm thời như một “phân tử”, trong khi các mô hình khác thì lại thích nghĩ chúng như một đơn vị cố kết đơn lẻ của bốn hạt. Việc nhận diện được dạng mới của tetraquark và đo đạc tính năng của chúng – như spin lượng tử của chúng (định hướng không gian bên trong của chúng) và sự bình đẳng của chúng (cách chúng xuất hiện từ một chuyển đổi) - sẽ giúp vẽ ra một bức tranh rõ ràng hơn về những “dân cư” lạ của miền hạ nguyên tử. Johnson cho biết thêm: “Khám phá này sẽ cho phép chúng ta kiểm tra các lý thuyết trong một miền hoàn toàn mới”.

Trong khi quan sát của LHCb là bước quan trọng đầu tiên, nhiều dữ liệu sẽ được cần đến để xác nhận bản chất của cấu trúc được quan sát trong phân rã B+. Kết quả của nhóm hợp tác LHCb cũng sẽ được những thực nghiệm vật lý khác như Belle II xác minh. Dù vậy, LHC sẽ tiếp tục cung cấp những kết quả mới và thú vị cho các nhà thực nghiệm và lý thuyết tiếp tục tìm kiếm.

Theo Tiasang