Lực hấp dẫn giúp chứng tỏ cường độ lực mạnh trong proton

Thứ năm, 08/02/2024

Trong suốt vũ trụ hữu hình của chúng ta, lực hấp dẫn đóng một vai trò rất quan trọng. Có thể được xem nó như “bước khóa” các mặt trăng khi chúng quay quanh các hành tinh; trong chuyến lang thang, các sao chổi bị các ngôi sao khổng lồ kéo chệch hướng; và trong cuộn xoáy của các thiên hà khổng lồ. Những hiển thị kỳ diệu ấy chứng tỏ sức ảnh hưởng của lực hấp dẫn tại các quy mô lớn nhất của vật chất.

Giờ thì các nhà vật lý hạt nhân đang khám phá ra hấp dẫn cũng có nhiều ảnh hưởng ở các quy mô nhỏ nhất của vật chất.

Nghiên cứu mới do các nhà vật lý hạt nhân tại Cơ sở nghiên cứu máy gia tốc quốc gia Thomas Jefferson của Bộ Năng lượng Mỹ thực hiện, bằng việc sử dụng một phương pháp kết nối các lý thuyết về hấp dẫn với những tương tác giữa các hạt nhỏ nhất của vật chất để tiết lộ những chi tiết mới ở quy mô nhỏ hơn. nghiên cứu này đã cho thấy, lầnđầu tiên, một cú chụp nhanh sự phân bố của lực mạnh bên trong hạt nhân. Cú chụp nhanh cho thấy chi tiết ứng suất cắt mà lực này có thể gây nên trên các hạt quark tạo nên proton. Kết quả này mới được xuất bản trên tạp chí Reviews of Modern Physics ¹.

Theo tác giả đầu của nghiên cứu, nhà khoa học chính của Phòng thí nghiệm Jefferson Volker Burkert, kết quả đo đạc đã đem lại cái nhìn thấu suốt vào môi trường mà các khối cơ bản của proton này trải qua. Các proton được tạo nên bởi ba quark liên kết với nhau bằng lực mạnh.

“Tại mức cực đại của nó, lực mạnh lớn đến mức một lực tương đương bốn tấn mới có thể bứt một hạt quark khỏi một proton” (Trong khoảng 10⁻¹⁵ m (1 femtometer), lực tương tác mạnh lớn gấp xấp xỉ 137 lần lực điện từ, mạnh gấp một triệu lần lực tương tác yếu và mạnh gấp 10³⁸ lần lực hấp dẫn), Burkert giải thích. “Tự nhiên, tất nhiên, không chi phép chúng ta tách một quark khỏi proton bởi vì một tài sản của quark là ‘màu’/’hương’. Có ba màu của các quark trộn trong proton khiến cho nhìn từ bên ngoài, nó dường như không màu sắc, một đòi hỏi tất yếu cho sự tồn tại của nó trong vũ trụ.

“Cố gắng đẩy một quark có màu khỏi proton sẽ tạo ra một cặp quark không màu/phản quark, một meson, bằng năng lượng anh đặt vào để tách quark, để lại một proton không màu (hoặc neutron). Vì vậy, bốn tấn là một đồ họa về cường độ của lực ở bên trong proton”.

Kết quả này không chỉ là lần thứ hai đo đạc được những đặc trưng cơ học của proton – các đặc trưng cơ học của proton bao gồm nội ứng suất của nó, sự phân bố khối lượng của nó (kích thước vật lý), momentum góc của nó, và ứng suất cắt của nó. Cách đây nửa thế kỷ, một dự đoán lý thuyết về nó đã được đưa ra và các nhà khoa học đã chứng minh được nó thông qua bộ dữ liệu thu thập trong hai thập kỷ.

Vào giữa những năm 1960, có một phỏng đoán lý thuyết là liệu các nhà vật lý hạt nhân có thể xem xét cách hấp dẫn tương tác với các hạt hạ nguyên tử như proton, thì các thực nghiệm có thể tiết lộ trực tiếp các đặc trưng cơ học của proton.

“Nhưng ở thời điểm đó, không có cách nào thực hiện được thực nghiệm như vậy. Nếu anh so sánh hấp dẫn với lực điện từ, ví dụ như vậy, có 39 trật tự từ khác nhau – vì vậy hoàn toàn là vô vọng phải không?”, Latifa Elouadhriri, một nhà khoa học của Jefferson Lab và đồng tác giả của nghiên cứu, nói.

Dữ liệu thu thập trong hàng thập kỷ qua các thí nghiệm ở cơ sở máy gia tốc chùm tia điện tử liên tục của Jefferson Lab (CEBAF), một cơ sở của Phòng Khoa học DOE. Một thực nghiệm của CEBAF có thể đòi hỏi một tương tác electron mang năng lượng với hạt khác thông qua trao đổi một gói năng lượng và một khối momentum góc gọi là một photon ảo với hạt đó. Năng lượng của electron quyết định các hạt nào mà nó tương tác theo cách đó và cách chúng phản hồi.

Trong thực nghiệm này, một lực thậm chí còn lớn hơn bốn tấn cần thiết để đẩy một cặp quark/phản quark được đặt vào proton bằng chùm tia electron năng lượng cao với proton ở một bia khí hydrogen hóa lỏng.

“Chúng tôi phát triển chương trình này để nghiên cứu tán xạ Compton ảo một cách sâu sắc hơn. Đó là nơi bạn có một trao đổi electron một photon ảo với proton. Và tại trạng thái cuối cùng, proton vẫn còn được giữ nguyên nhưng bị giật lùi và anh có một photon năng lượng cực cao được tạo ra, cộng thêm electron được tán xạ”, Elouadhriri. “Tại thời điểm chúng tôi có được dữ liệu, chúng tôi không biết nằm ngoài hình ảnh ba chiều chúng tôi hướng đến với dữ liệu này, chúng tôi còn đang thu thập dữ liệu cần thiết để tiếp cận cả các đặc tính cơ học của proton”.

Hóa ra đó là một quá trình cụ thể – tán xạ Compton ảo sâu (DVCS) – có thể được kết nối cách hấp dẫn tương tác với vật chất. Phiên bản chung của kết nối này đã được nêu trong cuốn sách xuất bản năm 1973 về lý thuyết hấp dẫn tổng quát của Einstein với tên “Hấp dẫn” của Charles W. Misner, Kip S. Thorne và John Archibald Wheeler.

Trong cuốn sách này, họ viết “Bất kỳ trường spin-2 không khối lượng nào cũng sẽ làm xuất hiện một lực có thể phân biệt được với hấp dẫn, bởi vì trường spin-2 không khối lượng có thể kết cặp với tensor ứng suất – năng lượng theo cùng cách những tương tác hấp dẫn làm”.

Ba thập kỷ sau, nhà vật lý lý thuyết Maxim Polyakov theo đuổi ý tưởng này với việc thiết lập nền tảng lý thuyết kết nối quá trình DVCS và tương tác hấp dẫn.

“Đột phá trong lý thuyết đã thiết lập mối quan hệ giữa đo đạc tán xạ Compton ảo sâu với yếu tố hình thành hấp dẫn. Và chúng tôi có thể lần đầu tiên tách ứng suất mà chúng tôi đã từng miêu tả trong một bài báo xuất bản trên Nature vào năm 2018 ², và giờ là một lực thông thường và lực cắt”, Burkert giải thích.

Một miêu tả chi tiết hơn của những kết nối giữa quá trình DVCS và tương tác hấp dẫn có thể tìm thấy trong bài báo miêu tả kết quả đầu tiên mà nghiên cứu này đạt được.

Các nhà nghiên cứu nói bước tiếp theo của họ là tập trung vào tách thông tin họ cần khỏi dữ liệu DVCS hiện có để có thể đạt được những tiên tiến mới hơn, các thực nghiệm mang tính thống kê có độ tin cậy cao và năng lượng cao hơn để tiếp tục nghiên cứu DVCS trong proton.

Trong lúc đó, các đồng tác giả nghiên cứu đã ngạc nhiên trước sự phong phú của những nỗ lực lý thuyết trong hàng trăm bài báo của các nhà vật lý lý thuyết, đã bắt đầy khai phá con đường còn mới mẻ này để tìm hiểu các đặc trưng cơ học của proton.

“Và rồi, chúng ta đang ở kỷ nguyên mới của khám phá với Kế hoạch Khoa học hạt nhân đường dài 2023 ³ mới được công bố gần đây. Đây sẽ là một trụ cột của khoa học ở hướng nghiên cứu này với các sơ sở thực nghiệm và các phát triển máy dò mới. Chúng tôi đang háo hức chờ đợi sẽ thấy nhiều hơn những gì có thể làm được”, Burkert nói.

Elouadhriri đồng ý với nhận định này. “Và trong quan điểm của tôi, đây mới chỉ là điểm bắt đầu của một thứ còn lớn hơn sẽ tới. Nó đã làm thay đổi lập tức cách chúng ta nghĩ về cấu trúc của proton”, cô nói.

“Giờ thì chúng ta có thể biểu hiện cấu trúc của các hạt hạ nguyên tử theo thuật ngữ của các lực, ứng suất và kích thước vật lý mà ngay cả những người không nhà vật lý cũng có thể liên quan”, Burkert cho biết thêm.

Anh Vũ tổng hợp

Nguồn: https://phys.org/news/2024-01-gravity-strong-strength-proton.html

————————————————

1. https://journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.95.041002

2.https://www.nature.com/articles/s41586-018-0060-z

3.https://science.osti.gov/-/media/np/nsac/pdf/202310/NSAC_LRP_2023.pdf

Theo Tạp chí Tia sáng