Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Kết quả mới từ các máy dò hạt chính xác tại Máy va chạm ion nặng tương đối tính (RHIC) cung cấp một cái nhìn mới về các tương tác hạt diễn ra trong lõi của các sao neutron và cung cấp cho các nhà vật lý hạt nhân một cách mới để tìm kiếm sự vi phạm các đối xứng cơ bản trong vũ trụ.
Kết quả mới từ các máy dò hạt chính xác tại Máy va chạm ion nặng tương đối tính (RHIC) cung cấp một cái nhìn mới về các tương tác hạt diễn ra trong lõi của các sao neutron và cung cấp cho các nhà vật lý hạt nhân một cách mới để tìm kiếm sự vi phạm các đối xứng cơ bản trong vũ trụ. Kết quả vừa được công bố trên tạp chí Vật lý Tự nhiên chỉ có thể thu được tại một máy va chạm ion mạnh như RHIC, Văn phòng người dùng của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) cho nghiên cứu vật lý hạt nhân tại Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven của DOE.
Các phép đo chính xác cho thấy năng lượng liên kết giữ các thành phần của hạt nhân “vật chất lạ” đơn giản nhất được gọi là “hypertriton”, lớn hơn so với các thí nghiệm trước đây, ít chính xác hơn. Giá trị mới có thể có ý nghĩa vật lý thiên văn quan trọng để hiểu các tính chất của sao neutron trong đó sự hiện diện của các hạt chứa cái gọi là quark “lạ” được dự đoán là phổ biến.
Phép đo thứ hai là tìm kiếm sự khác biệt giữa khối lượng của hypertriton và đối tác phản vật chất của nó, anthypertriton (hạt nhân đầu tiên chứa quark antistrange, được phát hiện tại RHIC năm 2010). Các nhà vật lý chưa bao giờ tìm thấy một sự khác biệt lớn giữa các đối tác vật chất phản vật chất vì vậy nhìn thấy một người sẽ là một khám phá lớn. Nó sẽ là bằng chứng của vi phạm “CPT” – vi phạm đồng thời ba đối xứng cơ bản trong tự nhiên liên quan đến sự đảo ngược của điện tích, tính chẵn lẻ (đối xứng gương) và thời gian.
“Các nhà vật lý đã thấy vi phạm tương đương và vi phạm CP cùng nhau (mỗi người kiếm được giải thưởng Nobel cho Phòng thí nghiệm Brookhaven [-), nhưng không bao giờ CPT”, nhà vật lý học Brookhaven, Zhangbu Xu, đồng phát ngôn viên của thí nghiệm STAR của RHIC, nơi nghiên cứu siêu âm làm xong.
Nhưng không ai tìm kiếm vi phạm CPT trong hypertriton và anthypertriton, bởi vì không ai khác có thể.
Thử nghiệm CPT trước đây về hạt nhân nặng nhất được thực hiện bởi sự hợp tác ALICE tại Large Hadron Collider (LHC) của Châu Âu với phép đo chênh lệch khối lượng giữa helium-3 và antrcium-3 thông thường. Kết quả cho thấy không có sự khác biệt đáng kể đã được công bố trên tạp chí Vật lý Tự nhiên năm 2015.
Cảnh báo về spoiler: Kết quả STAR cũng cho thấy không có sự khác biệt lớn về khối lượng giữa các đối tác phản vật chất được khám phá tại RHIC do đó vẫn không có bằng chứng về vi phạm CPT. Nhưng việc các nhà vật lý của STAR thậm chí có thể thực hiện các phép đo là một minh chứng cho khả năng vượt trội của máy dò của họ.
Chuyện lạ
Các hạt nhân vật chất bình thường đơn giản nhất chỉ chứa các proton và neutron với mỗi hạt được tạo thành từ các quark “lên” và “xuống” thông thường. Trong hypertritons, một neutron được thay thế bằng một hạt gọi là lambda chứa một quark lạ cùng với các giống lên và xuống thông thường.
Sự thay thế vật chất kỳ lạ như vậy là phổ biến trong các điều kiện cực kỳ dày đặc được tạo ra trong các vụ va chạm của RHIC – và cũng có khả năng trong lõi của các sao neutron, nơi một muỗng cà phê vật chất nặng hơn 1 tỷ tấn. Đó là bởi vì mật độ cao làm cho việc tạo ra các quark lạ ít tốn kém hơn so với các giống lên và xuống thông thường.
Vì lý do đó, các vụ va chạm của RHIC cung cấp cho các nhà vật lý hạt nhân một cách để nhìn vào các tương tác hạ nguyên tử trong các vật thể sao xa xôi mà không bao giờ rời khỏi Trái đất. Và bởi vì các va chạm của RHIC tạo ra các hypertritons và anthypertrit với số lượng gần bằng nhau, chúng cũng cung cấp một cách để tìm kiếm vi phạm CPT.
Nhưng việc tìm ra những hạt hiếm đó trong số hàng ngàn luồng phát ra từ mỗi vụ đập vỡ hạt RHIC – với những va chạm xảy ra hàng nghìn lần mỗi giây – là một nhiệm vụ khó khăn. Thêm vào thách thức thực tế là các hạt không ổn định này phân rã gần như ngay khi chúng hình thành – trong phạm vi centimet của trung tâm máy dò STAR rộng bốn mét.
Phát hiện chính xác
May mắn thay, các thành phần máy dò được thêm vào STAR để theo dõi các loại hạt khác nhau khiến cho việc tìm kiếm trở nên tương đối. Các thành phần này được gọi là “Trình theo dõi hương vị nặng” nằm rất gần trung tâm của máy dò STAR. Chúng được phát triển và xây dựng bởi một nhóm cộng tác viên STAR do các nhà khoa học và kỹ sư tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley (Phòng thí nghiệm Berkeley) của DOE dẫn đầu. Các thành phần bên trong này cho phép các nhà khoa học ghép các rãnh được tạo bởi các sản phẩm phân rã của từng hypertriton và anthypertriton với điểm xuất phát của chúng ngay bên ngoài vùng va chạm.
“Những gì chúng tôi tìm kiếm là các hạt ‘con gái’ – sản phẩm phân rã tấn công các thành phần máy dò ở rìa ngoài của STAR,” nhà vật lý Xin Dong của Berkeley Lab cho biết. Việc xác định dấu vết của các cặp hoặc bộ ba hạt con có nguồn gốc từ một điểm duy nhất ngay bên ngoài vùng va chạm chính cho phép các nhà khoa học chọn các tín hiệu này từ biển của các hạt khác phát ra từ mỗi vụ va chạm của RHIC.
Giải thích Declan Keane thuộc Đại học bang Kent (KSU). Nói cách biệt hypertriton và anthypertriton là dễ dàng vì chúng phân rã thành các con gái khác nhau.
Nhóm của Keane bao gồm Irakli Chakeberia, chuyên theo dõi các hạt này thông qua các máy dò để” kết nối các dấu chấm. Họ cũng cung cấp nhiều hình ảnh cần thiết về các sự kiện.
Như đã lưu ý, việc tổng hợp dữ liệu từ nhiều vụ va chạm cho thấy không có sự khác biệt lớn giữa các siêu hạt nhân và phản vật chất, do đó không có bằng chứng về vi phạm CPT trong các kết quả này.
Nhưng khi các nhà vật lý của STAR xem xét kết quả của họ về năng lượng liên kết của hypertriton, nó hóa ra lớn hơn các phép đo trước đó từ những năm 1970 đã tìm thấy.
Các nhà vật lý của STAR đã thu được năng lượng liên kết bằng cách trừ đi giá trị của chúng đối với khối lượng hypertriton từ khối lượng kết hợp đã biết của các hạt khối xây dựng của nó: một deuteron (trạng thái liên kết của proton và neutron) và một lambda.
“Hypertriton nặng ít hơn tổng số phần của nó vì một phần khối lượng đó được chuyển thành năng lượng liên kết ba hạt nhân lại với nhau”, Kimui Chen, cộng tác viên của Đại học Fudan có nghiên cứu sinh cho biết đi đến những kết quả này “Năng lượng liên kết này thực sự là thước đo sức mạnh của các tương tác này, vì vậy phép đo mới của chúng tôi có thể có ý nghĩa quan trọng để hiểu” phương trình trạng thái “của các sao neutron”.
Ví dụ, trong các tính toán mô hình, khối lượng và cấu trúc của một ngôi sao neutron phụ thuộc vào cường độ của các tương tác này. Có mối quan tâm lớn trong việc tìm hiểu làm thế nào các tương tác này – một dạng của lực mạnh – khác nhau giữa các hạt nhân thông thường và các hạt nhân lạ chứa lên, xuống và quark lạ. Bởi vì các siêu hạt nhân này chứa một lambda duy nhất, đây là một trong những cách tốt nhất để so sánh với các dự đoán lý thuyết. Nó làm giảm vấn đề về dạng đơn giản nhất của nó.
Nguồn truyện:
Tài liệu được cung cấp bởi Phòng thí nghiệm quốc gia DOE / Brookhaven . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :