Các nhà nghiên cứu CERN đã quan sát thấy một xu hướng kỳ lạ trong dữ liệu từ Máy va chạm Hadron lớn, hay LHC: một trong những khối xây dựng cơ bản của vật chất dường như có thể ghép đôi tạm thời với phản vật chất song sinh của nó, mở ra một cánh cửa sổ hướng đến những hiện tượng mới có thể cách mạng hóa vật lý cơ bản.
Câu chuyện này bắt đầu khi các nhà nghiên cứu chịu trách nhiệm cho Máy Solenoid Muon Nhỏ gọn (CMS), một trong những máy dò cực kỳ tinh vi của LHC, đang xem xét dữ liệu cũ. Họ hy vọng tìm ra những biến thể giả thuyết mới của boson Higgs nổi tiếng, bị nghi ngờ là nguồn gốc khối lượng của các hạt khác.
Những boson thay thế này, nếu tồn tại, có thể sẽ phân hủy thành một vật thể nhị phân được tạo thành từ một quark đỉnh và một phản quark đỉnh, tương đương với phản quark đỉnh trong phạm vi phản vật chất. Cặp này, được gọi là cặp tt, sau đó sẽ phân hủy, tạo ra một luồng hạt có thể được CMS phát hiện.
Do đó, việc quan sát thấy nhiều cặp tt hơn dự kiến có thể là dấu hiệu cho thấy một hạt khác, trước đây chưa biết, cũng được tạo ra do va chạm. Và chính xác là loại dư thừa này mà các tác giả của nghiên cứu đã quan sát thấy trong dữ liệu được phân tích. Đây là một khám phá thú vị, vì kết quả này chỉ trực tiếp đến sự hiện diện của một hạt chưa được xác định trước đó.
Nhưng một chi tiết đáng lo ngại khác đã xuất hiện vào thời điểm này.
Về mặt lý thuyết, chúng ta mong đợi đường cong biểu diễn quá trình sản xuất các cặp tt này theo mức năng lượng sẽ khá trơn tru: đường cong bắt đầu ở ngưỡng sản xuất rồi dần dần dốc lên khi năng lượng tăng. Tuy nhiên, dữ liệu CMS cho thấy sản xuất cặp tt đạt đỉnh chính xác ở ngưỡng, chứ không phải ở mức năng lượng cao hơn, nơi các cặp này thường phổ biến hơn nhiều! Hiện tượng này, hoàn toàn không được Mô hình Chuẩn dự đoán, lại rất thú vị đối với các nhà nghiên cứu. Thật vậy, loại mâu thuẫn này thường chỉ ra sự hình thành của một vật thể không ổn định, tồn tại trong thời gian ngắn.
Theo các tác giả nó có khả năng là toponium—một thực thể không ổn định, chưa từng được quan sát trước đây, hình thành trong thời gian ngắn do sự cộng hưởng giữa một quark đỉnh và phản quark đỉnh. Đây là một triển vọng đặc biệt thú vị đối với các nhà vật lý CERN vì nhiều lý do.
Người ta thậm chí còn nghĩ rằng có lẽ không thể phát hiện ra nó vì nó cực kỳ không ổn định. Thật vậy, các quark đỉnh bị cô lập có thói quen khó chịu là phân hủy thành hai hạt khác trong thời gian cực ngắn: toàn bộ hiện tượng diễn ra trong thời gian ngắn hơn thời gian ánh sáng di chuyển 0,1 femtomet, hoặc một phần mười triệu tỷ mét!
Và đây chính là nơi mà khám phá này trở nên thực sự hấp dẫn. Nhìn chung, vì quarkonium được cấu thành từ vật chất và phản vật chất (một quark và phản quark của nó) nên hai thành phần này có xu hướng hủy diệt lẫn nhau. Nhưng về phần toponium, có vẻ không ổn định đến mức hiện tượng này thậm chí còn không có thời gian để diễn ra: sự phân rã tự phát thành quark đáy và boson W (một đối tượng hấp dẫn tự thân) xảy ra trước sự hủy diệt!
CERN: phép đo cực kỳ chính xác về boson W làm tiêu tan hy vọng của các nhà vật lý
Nếu kết quả này sau đó được xác nhận, thì việc phát hiện ra hiện tượng này bên trong LHC do đó có thể mở ra một cửa sổ mới về hành vi của quark đỉnh. Một hướng nghiên cứu rất hứa hẹn, vì nó là thành phần cơ bản của vật chất đóng vai trò quyết định trong cấu trúc vũ trụ của chúng ta.
Cuối cùng, điều này có thể dẫn đến việc khám phá ra các hiện tượng kỳ lạ mới vượt ra ngoài mô hình chuẩn của vật lý hạt, với tất cả những gì điều này ngụ ý đối với sự hiểu biết của chúng ta về thế giới xung quanh.
Văn bản của nghiên cứu có sẵn tại đây.
Câu chuyện này bắt đầu khi các nhà nghiên cứu chịu trách nhiệm cho Máy Solenoid Muon Nhỏ gọn (CMS), một trong những máy dò cực kỳ tinh vi của LHC, đang xem xét dữ liệu cũ. Họ hy vọng tìm ra những biến thể giả thuyết mới của boson Higgs nổi tiếng, bị nghi ngờ là nguồn gốc khối lượng của các hạt khác.
Một lượng quark dư thừa kỳ lạ
Theo dự đoán của các nhà vật lý CERN, nếu những hạt như vậy thực sự tồn tại, chúng có thể có xu hướng tương tác mạnh với quark đỉnh, một trong những thành phần cơ bản của vật chất. Dự đoán này đặc biệt dựa trên khối lượng của loại quark này, có đặc điểm là cực kỳ nặng so với kích thước vô cùng nhỏ của nó.Những boson thay thế này, nếu tồn tại, có thể sẽ phân hủy thành một vật thể nhị phân được tạo thành từ một quark đỉnh và một phản quark đỉnh, tương đương với phản quark đỉnh trong phạm vi phản vật chất. Cặp này, được gọi là cặp tt, sau đó sẽ phân hủy, tạo ra một luồng hạt có thể được CMS phát hiện.
Do đó, việc quan sát thấy nhiều cặp tt hơn dự kiến có thể là dấu hiệu cho thấy một hạt khác, trước đây chưa biết, cũng được tạo ra do va chạm. Và chính xác là loại dư thừa này mà các tác giả của nghiên cứu đã quan sát thấy trong dữ liệu được phân tích. Đây là một khám phá thú vị, vì kết quả này chỉ trực tiếp đến sự hiện diện của một hạt chưa được xác định trước đó.
Nhưng một chi tiết đáng lo ngại khác đã xuất hiện vào thời điểm này.
Toponium cho thấy phần chóp mũi của nó
Trong LHC, các proton va chạm ở mức năng lượng cực cao. Trong quá trình va chạm, năng lượng có thể chuyển hóa thành khối lượng, tạo ra các hạt mới theo phương trình nổi tiếng E=mc² của Einstein. Để tạo ra cặp quark đỉnh và phản đỉnh (tt), va chạm phải cung cấp khối lượng ít nhất gấp đôi khối lượng của quark đỉnh. Con số này tương đương khoảng 346 GeV (gigaelectronvolt). Đây được gọi là ngưỡng sản xuất—năng lượng tối thiểu cần thiết để sản xuất chính xác một cặp đỉnh-phản đỉnh.Về mặt lý thuyết, chúng ta mong đợi đường cong biểu diễn quá trình sản xuất các cặp tt này theo mức năng lượng sẽ khá trơn tru: đường cong bắt đầu ở ngưỡng sản xuất rồi dần dần dốc lên khi năng lượng tăng. Tuy nhiên, dữ liệu CMS cho thấy sản xuất cặp tt đạt đỉnh chính xác ở ngưỡng, chứ không phải ở mức năng lượng cao hơn, nơi các cặp này thường phổ biến hơn nhiều! Hiện tượng này, hoàn toàn không được Mô hình Chuẩn dự đoán, lại rất thú vị đối với các nhà nghiên cứu. Thật vậy, loại mâu thuẫn này thường chỉ ra sự hình thành của một vật thể không ổn định, tồn tại trong thời gian ngắn.
Theo các tác giả nó có khả năng là toponium—một thực thể không ổn định, chưa từng được quan sát trước đây, hình thành trong thời gian ngắn do sự cộng hưởng giữa một quark đỉnh và phản quark đỉnh. Đây là một triển vọng đặc biệt thú vị đối với các nhà vật lý CERN vì nhiều lý do.
Một khám phá có khả năng mang tính cách mạng
Đầu tiên, điều này có nghĩa là chúng ta hiện đã quan sát được toàn bộ họ quarkonium — những thực thể mà các thành viên của cặp quark-phản quark không chỉ cùng tồn tại mà còn được liên kết với nhau thông qua hiện tượng cộng hưởng. Hai loại đầu tiên, charmonium (charm quark + charm antiquark) và bottomonium (bottom quark + bottom antiquark) đã được quan sát vào những năm 1970; Ngược lại, Toponium đã mất tích kể từ đó.Người ta thậm chí còn nghĩ rằng có lẽ không thể phát hiện ra nó vì nó cực kỳ không ổn định. Thật vậy, các quark đỉnh bị cô lập có thói quen khó chịu là phân hủy thành hai hạt khác trong thời gian cực ngắn: toàn bộ hiện tượng diễn ra trong thời gian ngắn hơn thời gian ánh sáng di chuyển 0,1 femtomet, hoặc một phần mười triệu tỷ mét!
Và đây chính là nơi mà khám phá này trở nên thực sự hấp dẫn. Nhìn chung, vì quarkonium được cấu thành từ vật chất và phản vật chất (một quark và phản quark của nó) nên hai thành phần này có xu hướng hủy diệt lẫn nhau. Nhưng về phần toponium, có vẻ không ổn định đến mức hiện tượng này thậm chí còn không có thời gian để diễn ra: sự phân rã tự phát thành quark đáy và boson W (một đối tượng hấp dẫn tự thân) xảy ra trước sự hủy diệt!
CERN: phép đo cực kỳ chính xác về boson W làm tiêu tan hy vọng của các nhà vật lý
Nếu kết quả này sau đó được xác nhận, thì việc phát hiện ra hiện tượng này bên trong LHC do đó có thể mở ra một cửa sổ mới về hành vi của quark đỉnh. Một hướng nghiên cứu rất hứa hẹn, vì nó là thành phần cơ bản của vật chất đóng vai trò quyết định trong cấu trúc vũ trụ của chúng ta.
Cuối cùng, điều này có thể dẫn đến việc khám phá ra các hiện tượng kỳ lạ mới vượt ra ngoài mô hình chuẩn của vật lý hạt, với tất cả những gì điều này ngụ ý đối với sự hiểu biết của chúng ta về thế giới xung quanh.
Văn bản của nghiên cứu có sẵn tại đây.
