Phát hiện một meson mang điện tích bất thường

Các nhà vật lý ở Belle làm việc tại Phòng thí nghiệm KEK (Nhật Bản) vừa phát hiện một hạt cơ bản mới với những bằng chứng hết sức thuyết phục rằng có một số meson chứa tới bốn hạt quark thay vì hai quark như các hạt thông thường.

Meson mới được đặt tên là Z(4430), một hạt mới là hạt cuối cùng trong một số các meson được phát hiện tại Belle và dường như sẽ là một thách thức với mô hình quark, mô hình từng giải thích một cách rất thành công hệ thống các meson bằng hai quark hợp thành.

Được giới thiệu lần đầu tiên vào năm 1960 bởi Murray Gell-Mann (sau đó giành giải Nobel cho phát minh này), mô hình quark cho phép các nhà vật lý xây dựng nên cấu trúc của vô số các hạt được sản sinh trong các máy gia tốc. Cũng như là mô tả các proton và neutron đã được biết (chứa 3 quark), mô hình quark được sử dụng một cách thành công để hệ thống hóa các meson có chứa 2 quark - hay chính xác hơn là chứa một hạt quark và một phản quark - giúp chúng liên kết với nhau bởi lực tương tác mạnh.

Tuy nhiên, mọi thứ bắt đầu trở nên bất bình thường khoảng 4 năm về trước khi 2 thí nghiệm của BaBar (Trung tâm Gia tốc thẳng Stanford, Đại học Stanford, Mỹ) và Belle ở Phòng thí nghiệm KEK (Nhật Bản) phát hiện ra các meson mà không phải cấu trúc bởi một cặp quark - phản quark. Các meson kỳ quái này được tạo ra ở cả hai thiết bị nhờ sự va đập của các điện tử và positron.

Hình 1. Mô hình về sự hình thành và phân rã của Z(4430).

Một số nhà vật lý đã giả thiết rằng các meson mới này (có ít nhất 4 meson loại này đã được tìm thấy) có thể được tạo thành từ 4 thay vì 2 quark như vẫn thấy. Tuy nhiên, một số khác thì lại tin rằng các hạt đơn giản ở trạng thái kích thích của các meson "duyên" (charmonium meson), ở đó vẫn chỉ chứa một quark duyên (charm - c) và một phản quark c.

Tuy nhiên, các meson "duyên" này phải trung hòa về điện, trong khi meson mới được phát hiện này - Z(4430) là meson mới đầu tiên được phát hiện là mang điện tích. Và có nghĩa là Z(4430) không giống như các meson "duyên" vẫn được biết trước đó. Vì thế, các nhà vật lý ở Belle tin rằng có thể meson này được cấu thành ở một trạng thái với 4 quark, gồm quark up, phản down, charm (duyên) và phản charm. Điều này phù hợp với những quan sát thấy rằng meson Z(4430) bị phân rã ngay lập tức thành một meson charmonium và một meson pi (meson loại này chứa một quark up và một quark phản down). Nếu điều này chính xác thì meson Z(4430) sẽ là hạt meson đầu tiên mà không thể mô tả dựa trên mô hình 2 quark.

Hình 2. Các trạng thái 4 quark so sánh với 2 quark. Meson Z(3872) trung hòa về điện khó có thể phân biệt với trạng thái charmonium, nhưng quark mới phát hiện là Z(4430) mang điện tích hoàn toàn phân biệt với các trạng thái đã biết.

Phát hiện về Z(4430) cũng có nghĩa rằng, các nhà vật lý sẽ phải kiểm tra lại sự chính xác của Lý thuyết Sắc động học lượng tử (Theory of Quantum Chromodynamics - QCD), được dùng để lý giải tại sao các hạt quark và phản quark có thể liên kết với nhau và với các hạt khác. Tuy nhiên, những thông tin này không hoàn toàn thuyết phục được mọi người. Eric Swanson của Đại học Pittsburgh (Hoa Kỳ) nói trên tạp chí Physicsworld.com rằng, trong khi các số liệu về Z(4430) có vẻ rất đáng thuyết phục thì các hạt khác tương tự cũng cần phải phát hiện trước khi ông ta tán thành rằng các meson 4 quark là có thật. Eric nói: "Tôi vẫn chưa đủ khả năng tìm ra một cách lý giải hợp lý về Z(4430)".

Vạn lý Độc hành