Bên trong Proton, 'Điều phức tạp nhất mà bạn có thể tưởng tượng'

Hơn một thế kỷ sau khi Ernest Rutherford phát hiện ra hạt mang điện tích dương ở trung tâm của mỗi nguyên tử, các nhà vật lý vẫn đang vật lộn để tìm hiểu đầy đủ về proton.

Các giáo viên vật lý trung học mô tả chúng giống như những quả bóng kỳ lạ với mỗi đơn vị mang điện tích dương - lá hoàn hảo cho các electron mang điện tích âm bay xung quanh chúng. Các sinh viên đại học biết rằng quả bóng thực chất là một bó gồm ba hạt cơ bản gọi là quark. Nhưng nhiều thập kỷ nghiên cứu đã tiết lộ một sự thật sâu sắc hơn, một sự thật quá kỳ lạ để có thể ghi lại đầy đủ bằng lời nói hoặc hình ảnh.

“Đây là điều phức tạp nhất mà bạn có thể tưởng tượng ra,” nói Mike Williams, một nhà vật lý tại Viện Công nghệ Massachusetts. "Trên thực tế, bạn thậm chí không thể tưởng tượng nó phức tạp như thế nào."

Proton là một vật thể cơ học lượng tử tồn tại như một đám mây xác suất cho đến khi một thí nghiệm buộc nó có dạng cụ thể. Và các hình thức của nó khác nhau rất nhiều tùy thuộc vào cách các nhà nghiên cứu thiết lập thí nghiệm của họ. Kết nối nhiều mặt của hạt đã là công việc của nhiều thế hệ. “Chúng tôi chỉ mới bắt đầu hiểu hệ thống này một cách đầy đủ,” nói Richard Milner, một nhà vật lý hạt nhân tại MIT.

Khi cuộc theo đuổi tiếp tục, những bí mật của proton tiếp tục được tiết lộ. Gần đây nhất, một phân tích dữ liệu hoành tráng được công bố vào tháng XNUMX đã phát hiện ra rằng proton có chứa dấu vết của các hạt được gọi là hạt quark quyến rũ nặng hơn bản thân proton.

Williams cho biết “proton đã khiêm tốn đối với con người. "Mỗi khi bạn nghĩ rằng bạn đã nắm được nó, nó sẽ ném cho bạn một số đường cong."

Gần đây, Milner, cùng với Rolf Ent tại Jefferson Lab, các nhà làm phim MIT, Chris Boebel và Joe McMaster, và nhà làm phim hoạt hình James LaPlante, bắt đầu chuyển đổi một tập hợp các âm mưu bí ẩn tổng hợp kết quả của hàng trăm thí nghiệm thành một loạt các hoạt ảnh về hình dạng -chuyển dịch proton. Chúng tôi đã kết hợp các hình ảnh động của họ vào nỗ lực riêng của chúng tôi để tiết lộ bí mật của nó.

Cracking Mở Proton

Bằng chứng rằng proton chứa nhiều biên độ đến từ Trung tâm Máy gia tốc tuyến tính Stanford (SLAC) vào năm 1967. Trong các thí nghiệm trước đó, các nhà nghiên cứu đã ném nó bằng các electron và quan sát chúng tách ra như những quả bóng bi-a. Nhưng SLAC có thể ném các electron mạnh hơn, và các nhà nghiên cứu thấy rằng chúng bị dội ngược trở lại khác nhau. Các điện tử đã va vào proton đủ mạnh để phá vỡ nó - một quá trình được gọi là tán xạ không đàn hồi sâu - và đang bật lại từ các mảnh giống như điểm của proton được gọi là quark. “Đó là bằng chứng đầu tiên cho thấy hạt quark thực sự tồn tại,” nói Tiểu Triều Chính, một nhà vật lý tại Đại học Virginia.

Sau phát hiện của SLAC, đoạt giải Nobel Vật lý năm 1990, việc nghiên cứu kỹ lưỡng về proton ngày càng được tăng cường. Các nhà vật lý đã thực hiện hàng trăm thí nghiệm tán xạ cho đến nay. Họ suy ra các khía cạnh khác nhau của bên trong vật thể bằng cách điều chỉnh mức độ chúng bắn phá nó và bằng cách chọn các hạt phân tán mà chúng thu thập được sau đó.

Bằng cách sử dụng các điện tử năng lượng cao hơn, các nhà vật lý có thể xác định các đặc điểm tốt hơn của proton mục tiêu. Bằng cách này, năng lượng electron thiết lập khả năng phân giải cực đại của một thí nghiệm tán xạ không đàn hồi sâu. Các máy va chạm hạt mạnh hơn cung cấp một cái nhìn sắc nét hơn về proton.

Các máy va chạm năng lượng cao hơn cũng tạo ra một loạt các kết quả va chạm rộng hơn, cho phép các nhà nghiên cứu chọn các tập hợp con khác nhau của các điện tử đi ra để phân tích. Tính linh hoạt này đã chứng tỏ chìa khóa để hiểu các hạt quark, chúng quan tâm đến bên trong proton với các lượng động lượng khác nhau.

Bằng cách đo năng lượng và quỹ đạo của mỗi electron phân tán, các nhà nghiên cứu có thể biết liệu nó có bay ra khỏi hạt quark mang một phần lớn động lượng tổng của proton hay chỉ là một hạt nhỏ. Thông qua các va chạm lặp đi lặp lại, họ có thể thực hiện một cái gì đó giống như một cuộc điều tra dân số - xác định xem động lượng của proton chủ yếu bị giới hạn trong một vài hạt quark hay được phân phối trên nhiều hạt.

Ngay cả các vụ va chạm tách proton của SLAC cũng nhẹ nhàng theo các tiêu chuẩn ngày nay. Trong các sự kiện tán xạ đó, các electron thường bắn ra theo những cách cho thấy rằng chúng đã đâm vào các hạt quark mang một phần ba tổng động lượng của proton. Phát hiện này phù hợp với lý thuyết của Murray Gell-Mann và George Zweig, những người vào năm 1964 cho rằng một proton bao gồm ba hạt quark.

“Mô hình quark” của Gell-Mann và Zweig vẫn là một cách hay để hình dung về proton. Nó có hai quark “lên” với điện tích +2/3 mỗi hạt và một quark “xuống” với điện tích −1/3, cho tổng điện tích proton là +1.

Nhưng mô hình quark là một đơn giản hóa quá mức có những thiếu sót nghiêm trọng.

Chẳng hạn, nó không thành công khi nói đến spin của một proton, một tính chất lượng tử tương tự như mômen động lượng. Proton có nửa đơn vị spin, mỗi quark lên và xuống của nó cũng vậy. Các nhà vật lý ban đầu cho rằng - trong một phép tính lặp lại số học điện tích đơn giản - nửa đơn vị của hai quark lên trừ đi của quark xuống phải bằng nửa đơn vị cho tổng thể proton. Nhưng vào năm 1988, Hợp tác Muon Châu Âu báo cáo rằng các spin của quark cộng lại chưa đến một phần hai. Tương tự, khối lượng của hai hạt quark lên và một hạt quark xuống chỉ chiếm khoảng 1% tổng khối lượng của proton. Những thâm hụt này đã đưa về nhà một điểm mà các nhà vật lý đã đánh giá cao: proton nhiều hơn ba hạt quark.

Hơn nhiều so với ba hạt quark

Máy gia tốc vòng Hadron-Electron (HERA), hoạt động ở Hamburg, Đức, từ năm 1992 đến năm 2007, đập các electron vào proton một cách mạnh hơn khoảng một nghìn lần so với SLAC. Trong các thí nghiệm HERA, các nhà vật lý có thể chọn các electron đã bật ra khỏi các hạt quark có xung lượng cực thấp, kể cả những hạt mang ít nhất 0.005% tổng động lượng của proton. Và phát hiện ra chúng mà họ đã làm: các electron của HERA bật trở lại từ một maelstrom gồm các quark xung lượng thấp và các đối trọng phản vật chất của chúng, các phản hạt.

Kết quả xác nhận một lý thuyết phức tạp và kỳ quặc đã thay thế mô hình quark của Gell-Mann và Zweig. Được phát triển vào những năm 1970, đó là một lý thuyết lượng tử về “lực mạnh” tác động giữa các hạt quark. Lý thuyết mô tả các hạt quark được gắn kết với nhau bởi các hạt mang lực gọi là gluon. Mỗi hạt quark và mỗi hạt gluon có một trong ba loại điện tích “màu”, được đánh dấu là đỏ, lục và lam; các hạt mang điện tích màu này tự nhiên kéo vào nhau và tạo thành một nhóm - chẳng hạn như proton - mà màu của chúng tạo thành màu trắng trung tính. Lý thuyết đầy màu sắc được gọi là sắc động lực học lượng tử, hay QCD.

Theo QCD, gluon có thể thu nhận năng lượng đột biến. Với năng lượng này, một gluon phân tách thành một quark và một phản quark - mỗi hạt mang một động lượng nhỏ - trước khi cặp đôi này tiêu diệt và biến mất. Các gai năng lượng nhỏ hơn tạo ra các cặp quark với động lượng thấp hơn, chúng sống ngắn hơn. Đó là “biển” gluon, quark và phản quark mà HERA, với độ nhạy cao hơn đối với các hạt có động lượng thấp hơn, đã phát hiện trực tiếp.

HERA cũng thu thập được những gợi ý về proton sẽ trông như thế nào trong các máy va chạm mạnh hơn. Khi các nhà vật lý điều chỉnh HERA để tìm kiếm các quark có động lượng thấp hơn, các quark này - đến từ gluon - xuất hiện với số lượng ngày càng nhiều. Kết quả cho thấy rằng trong các vụ va chạm thậm chí năng lượng cao hơn, proton sẽ xuất hiện dưới dạng một đám mây được tạo thành gần như hoàn toàn từ các gluon.

Cây bồ công anh gluon đúng như những gì QCD dự đoán. Milner nói: “Dữ liệu HERA là bằng chứng thực nghiệm trực tiếp rằng QCD mô tả thiên nhiên.

Nhưng chiến thắng của lý thuyết non trẻ đến với một viên thuốc đắng: Trong khi QCD mô tả tuyệt vời vũ điệu của các hạt quark và gluon tồn tại trong thời gian ngắn được tiết lộ bởi các vụ va chạm cực mạnh của HERA, thì lý thuyết này vô dụng đối với việc hiểu ba hạt quark lâu dài được thấy trong cuộc bắn phá nhẹ nhàng của SLAC.

Dự đoán của QCD chỉ dễ hiểu khi lực mạnh tương đối yếu. Và lực mạnh chỉ suy yếu khi các quark cực kỳ gần nhau, vì chúng nằm trong các cặp quark-phản quark tồn tại trong thời gian ngắn. Frank Wilczek, David Gross và David Politzer đã xác định tính năng xác định này của QCD vào năm 1973, giành giải Nobel cho nó 31 năm sau đó.

Nhưng đối với những va chạm nhẹ nhàng hơn như SLAC, nơi proton hoạt động giống như ba hạt quark giữ khoảng cách lẫn nhau, các hạt quark này kéo nhau đủ mạnh để các phép tính QCD trở nên bất khả thi. Do đó, nhiệm vụ làm sáng tỏ thêm quan điểm ba quark của proton phần lớn thuộc về các nhà thực nghiệm. (Các nhà nghiên cứu chạy "thí nghiệm kỹ thuật số", trong đó các dự đoán QCD được mô phỏng trên siêu máy tính, cũng đã thực hiện đóng góp chính.) Và chính trong bức ảnh có độ phân giải thấp này, các nhà vật lý tiếp tục tìm thấy những điều bất ngờ.

Một góc nhìn mới quyến rũ

Gần đây, một nhóm do Juan Rojo của Viện Vật lý Hạ nguyên tử Quốc gia ở Hà Lan và Đại học VU Amsterdam đã phân tích hơn 5,000 ảnh chụp nhanh proton được chụp trong 50 năm qua, sử dụng công nghệ máy học để suy ra chuyển động của các hạt quark và gluon bên trong proton theo cách bỏ qua phỏng đoán lý thuyết.

 Cuộc nghiên cứu mới đã phát hiện ra hiện tượng nhòe hậu cảnh trong các hình ảnh đã lọt vào tầm ngắm của các nhà nghiên cứu trong quá khứ. Trong các va chạm tương đối mềm chỉ vừa đủ làm vỡ proton mở ra, phần lớn xung lượng bị khóa trong ba hạt quark thông thường: hai thăng và một. Nhưng một lượng nhỏ xung lượng dường như đến từ quark "charm" và phản quark charm - các hạt cơ bản khổng lồ mà mỗi hạt lớn hơn toàn bộ proton hơn một phần ba.

Các bùa tồn tại trong thời gian ngắn thường xuất hiện trong chế độ xem “biển quark” của proton (gluon có thể tách thành bất kỳ trong sáu loại quark khác nhau nếu chúng có đủ năng lượng). Nhưng kết quả từ Rojo và các đồng nghiệp cho thấy rằng những chiếc bùa này tồn tại lâu dài hơn, khiến chúng có thể bị phát hiện trong những va chạm nhẹ nhàng hơn. Trong những va chạm này, proton xuất hiện dưới dạng một hỗn hợp lượng tử, hay sự chồng chất, gồm nhiều trạng thái: Một electron thường gặp ba hạt quark nhẹ. Nhưng đôi khi nó sẽ gặp một “phân tử” hiếm hơn gồm năm quark, chẳng hạn như quark up, down và charm được nhóm ở một bên và một quark up và charm ở bên kia.

Những chi tiết tinh tế như vậy về cấu tạo của proton có thể chứng minh là do hậu quả. Tại Máy va chạm Hadron Lớn, các nhà vật lý tìm kiếm các hạt cơ bản mới bằng cách đập các hạt proton tốc độ cao lại với nhau và xem cái gì bật ra; để hiểu kết quả, các nhà nghiên cứu cần biết những gì trong một proton để bắt đầu. Sự xuất hiện không thường xuyên của các hạt quark quyến rũ khổng lồ sẽ ném ra khỏi tỷ lệ cược tạo ra nhiều hạt kỳ lạ hơn.

Và khi các proton được gọi là tia vũ trụ lao tới đây từ không gian vũ trụ và đâm vào các proton trong bầu khí quyển của Trái đất, các hạt quark quyến rũ xuất hiện vào đúng thời điểm sẽ tắm Trái đất bằng neutrino siêu năng lượng, các nhà nghiên cứu tính toán vào năm 2021. Điều này có thể khiến các nhà quan sát bối rối tìm kiếm cho các hạt neutrino năng lượng cao đến từ khắp vũ trụ.

Sự hợp tác của Rojo có kế hoạch tiếp tục khám phá proton bằng cách tìm kiếm sự mất cân bằng giữa hạt quark quyến rũ và hạt phản quark. Và các cấu tử nặng hơn, chẳng hạn như hạt quark hàng đầu, có thể xuất hiện thậm chí hiếm hơn và khó phát hiện hơn.

Các thử nghiệm thế hệ tiếp theo sẽ tìm kiếm nhiều tính năng chưa được biết đến hơn. Các nhà vật lý tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven hy vọng sẽ kích hoạt Máy va chạm Ion-Điện tử vào những năm 2030 và tiếp tục nơi HERA đã dừng lại, chụp ảnh nhanh có độ phân giải cao hơn sẽ cho phép tái tạo 3D đầu tiên của proton. EIC cũng sẽ sử dụng các điện tử quay để tạo bản đồ chi tiết về vòng quay của các hạt quark và gluon bên trong, giống như SLAC và HERA đã lập bản đồ thời điểm của chúng. Điều này sẽ giúp các nhà nghiên cứu cuối cùng xác định được nguồn gốc của spin của proton và giải quyết những câu hỏi cơ bản khác về hạt có vách ngăn tạo nên phần lớn thế giới hàng ngày của chúng ta.