Hầu hết mọi thứ quanh ta đều có khối lượng, nhưng nguồn gốc của nó vẫn là câu hỏi nền tảng trong vật lý. Lý thuyết hiện nay cho rằng khối lượng xuất phát từ đặc tính của chân không – vốn không thực sự rỗng mà chứa một cấu trúc phức tạp.
Một cách để kiểm chứng giả thuyết này là nghiên cứu meson – hạt gồm một quark và một phản quark – khi chúng gắn kết với hạt nhân nguyên tử, tạo thành hệ gọi là mesic nuclei. Những hệ này giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn cách khối lượng hình thành và cách chân không biến đổi.
Meson, lực hạt nhân và vai trò của hạt η′
Các nhà vật lý từ lâu đã dự đoán rằng trong điều kiện nhất định, meson – vốn tồn tại chưa đến một phần mười triệu giây – có thể bị giữ lại trong hạt nhân nguyên tử, tạo thành hệ liên kết. Nghiên cứu những hạt nhân mesic này giúp làm sáng tỏ cách lực hạt nhân mạnh hoạt động và cách chân không thay đổi trong môi trường cực kỳ đậm đặc.
“Một hạt đặc biệt được quan tâm là meson η′,” tác giả chính Kenta Itahashi cho biết. “Nó nặng bất thường so với các hạt liên quan, và các nhà vật lý dự đoán khối lượng của nó sẽ thay đổi khi tồn tại trong vật chất hạt nhân. Quan sát hiện tượng này sẽ mang lại thông tin quý giá về cách khối lượng hạt được tạo ra trong vũ trụ.”
Thí nghiệm tại Đức và kỹ thuật phát hiện
Nhóm nghiên cứu đã tiến hành thí nghiệm chính xác cao tại GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung ở Đức. Họ dùng chùm proton năng lượng cao bắn vào bia carbon, kích thích hạt nhân carbon và tạo ra meson η′ có khả năng hình thành trạng thái liên kết với hạt nhân.
Năng lượng kích thích của hạt nhân carbon được đo bằng cách phân tích deuteron (gồm một proton và một neutron) phát ra trong phản ứng. Dữ liệu được thu bằng thiết bị phân tách mảnh vỡ Fragment Separator (FRS). Ngoài ra, nhóm còn sử dụng hệ thống dò WASA để theo dõi proton năng lượng cao rời khỏi bia, từ đó xác định tín hiệu cho thấy meson η′ đã được tạo ra và giữ lại trong hạt nhân.
“Với hệ thống kết hợp FRS và WASA, chúng tôi có thể nhận diện cấu trúc dữ liệu trùng khớp với dấu hiệu lý thuyết của hạt nhân mesic η′,” tác giả Ryohei Sekiya giải thích. “Phân tích của chúng tôi cho thấy những trạng thái liên kết này thực sự đã hình thành.”
Ý nghĩa đối với nguồn gốc khối lượng
Phổ kích thích của hạt nhân carbon cho thấy khả năng hình thành hạt nhân mesic η′. Kết quả gợi ý rằng khối lượng của meson η′ có thể giảm bên trong vật chất hạt nhân, phù hợp với dự đoán lý thuyết và cung cấp bằng chứng hiếm hoi về cách đặc tính hạt thay đổi trong điều kiện cực kỳ đậm đặc.
“Các phép đo của chúng tôi mang lại manh mối mới quan trọng về cách meson ứng xử trong vật chất hạt nhân,” Itahashi nhấn mạnh. “Điều này đưa chúng ta tiến gần hơn đến việc trả lời câu hỏi nền tảng: làm thế nào vật chất có được khối lượng, và cấu trúc chân không biến đổi ra sao bên trong hạt nhân nguyên tử.”
Trong tương lai, các thí nghiệm sẽ tập trung nâng cao độ chính xác và tìm kiếm thêm tín hiệu phân rã để xác nhận sự tồn tại của hạt nhân mesic η′. Mỗi kết quả mới sẽ giúp tinh chỉnh hiểu biết về những quy luật cơ bản định hình vũ trụ. |