Phát hiện loại hạt mới có thể làm sáng tỏ vụ nổ Big Bang

Loại hạt mới chưa từng được phát hiện sẽ giúp các nhà khoa học làm sáng tỏ quy luật phức tạp chi phối hạt quark, hạt sơ cấp tạo nên tất cả nguyên tử trong vũ trụ.

Các nhà khoa học Mỹ tại Phòng thí nghiệm gia tốc Fermi (Fermilab) ở Illinois phát hiện một loại hạt mới là tổ hợp của 4 hạt quark cơ bản. Hạt quark là hạt sơ cấp tồn tại như một vật chất nhỏ nhất và không thể chia nhỏ hơn nữa. Trong tự nhiên, hạt quark được chia thành 6 loại sơ cấp, phân biệt theo moment từ. Hạt mới được tìm thấy thuộc loại tetraquark, tạo thành bởi tổ hợp 4 hạt quark.

Mỗi proton và neutron chứa ba quark, là nhóm hạt ổn định nhất. Các meson tạo bởi hai quark cũng thường xuất hiện, nhưng tổ hợp bốn quark cực hiếm. Các nhà khoa học làm việc tại Trung tâm Máy Gia tốc Lớn (Large Hadron Collider - LHC) ở Thụy Sĩ năm ngoái đã thấy những dấu hiệu đầu tiên của một pentaquark, nhóm 5 quark được dự đoán từ lâu nhưng chưa bao giờ xuất hiện.

Hạt tetraquark được tìm thấy lần đầu tiên năm 2003 tại Nhật Bản. Kể từ đó, các nhà vật lý đã phát hiện 6 hạt tetraquark. Tuy nhiên, đây là lần đầu họ tìm ra hạt tetraquark tổ hợp từ 4 loại quark khác nhau. "Các tetraquark trước đây đều có hai quark giống nhau", Dmitri Denisov, thành viên của nhóm nghiên cứu, chia sẻ với Live Science.

Hạt tetraquark mới được tạo thành bởi 4 quark, sau đó phân rã thành hai hạt meson. (Ảnh: Fermilab).

Trong báo cáo đăng trên tạp chí Physical Review Letters hôm 25/2, hạt tetraquark kỳ lạ mang tên X(5568) có thể phản ánh sâu sắc một số quy tắc về cách thức tổ hợp các loại quark khác nhau, quá trình do các lực mạnh nhất trong tự nhiên điều khiển. Tương tác của các lực mạnh được mô tả bởi lý thuyết phức tạp gọi là sắc động học lượng tử. Tuy nhiên, dự đoán các tương tác của tổ hợp 4 hạt quark là rất khó khăn.

"Chúng tôi hiểu tính chất của các lực mạnh nhưng chưa hiểu quá trình tương tác của các lực này ở khoảng cách lớn", Denisov nói. "Về cơ bản, chúng tôi chưa có mô hình chuẩn để dự đoán cách các hạt quark tương tác khi có 3 - 4 loại quark khác nhau kết hợp lại".

Dù cho đến nay, các nhà khoa học chưa tìm thấy hạt nào tạo thành từ hơn 5 quark nhưng về mặt lý thuyết, số lượng các quark tham gia tổ hợp không bị giới hạn.

Máy gia tốc Tevatron tại Fermilab ngừng hoạt động vào năm 2011, nhưng nhóm nghiên cứu của Denisov tìm thấy dấu hiệu của hạt tetraquark mới trong kho lưu trữ dữ liệu từ hàng chục tỷ va chạm hạt tạo ra trong 28 năm Tevatron hoạt động.

Theo các nhà nghiên cứu, phát hiện sẽ giúp họ nâng cao hiểu biết về hạt quark, loại hạt tồn tại gần như ngay sau vụ nổ Big Bang ở nhiệt độ cao gấp hàng tỷ lần nhiệt độ phòng thí nghiệm. Vào tháng 2/2016, các nhà nghiên cứu ở LHC cố gắng tái tạo khởi đầu của vũ trụ, từ đó quan sát các hạt quark sau vụ nổ Big Bang. Họ phát hiện các hạt thể hiện giống với chất lỏng hơn là chất khí, dù chúng tồn tại ở nhiệt độ siêu cao.

"Bức tranh ghép hình vẫn chưa hoàn chỉnh nhưng chúng tôi đã thêm một mảnh mới vào những gì đã có sẵn", Denisov cho biết. "Hy vọng cuối cùng sẽ có một lý thuyết giải thích những quan sát này, cho phép chúng ta hiểu sâu hơn về các quark và lực tác dụng giữa chúng".