Các nhà vật lý hạt nhân cuối cùng đã có thể xác định được phân bố khối lượng trong proton. Mới đây, một thí nghiệm được thực hiện tại Cơ sở Máy gia tốc Quốc gia Thomas Jefferson của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) đã tiết lộ vùng khối lượng của proton được tạo ra bởi lực kết dính các quark khối (một loại hạt cơ bản sơ cấp, thành phần cơ bản của vật chất) tạo proton. Kết quả được công bố gần đây trên tạp chí Nature.
Một trong những bí ẩn lớn nhất của proton là nguồn gốc khối lượng của nó. Hóa ra khối lượng đo được của proton không chỉ đến từ các quark hóa trị của nó vì nếu cộng khối lượng Mô hình Chuẩn của các quark trong một proton, chỉ nhận được một phần nhỏ khối lượng của proton. Trong vài thập kỷ qua, các nhà vật lý hạt nhân đã tạm thời ghép lại với nhau rằng khối lượng của proton đến từ nhiều nguồn. Đầu tiên, proton có khối lượng từ các quark và từ chuyển động của chúng. Tiếp theo, proton nhận được khối lượng từ năng lượng lực kết dính các quark đó lại với nhau, lực này biểu hiện dưới dạng “gluon”. Cuối cùng, proton nhận khối lượng từ các tương tác của các quark và gluon của proton. Phép đo mới này cuối cùng đã làm sáng tỏ phần nào khối lượng proton bằng cách xác định chính xác vị trí vật chất do các gluon tạo ra. Người ta thấy bán kính của lõi vật chất này nằm ở trung tâm của proton. Kết quả cũng chỉ ra rằng lõi này có kích thước khác với bán kính điện tích được đo chính xác của proton, một đại lượng thường được sử dụng làm đại lượng cho kích thước của proton.
Bán kính khối lượng proton nhỏ hơn bán kính điện tích, khi đám mây gluon hoạt động vô hướng vượt ra ngoài bán kính điện tích. Phát hiện này làm sáng tỏ sự giam giữ và phân bố khối lượng trong proton (Nguồn: Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne).
Bán kính của cấu trúc khối lượng này nhỏ hơn bán kính điện tích và do đó, nó cho chúng ta cảm giác về thứ bậc của khối lượng so với cấu trúc điện tích của nucleon. Theo nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne của DOE, kết quả này thực sự gây bất ngờ đối với lĩnh vực vật lý hạt. Mục tiêu ban đầu của thí nghiệm là tìm kiếm một penta-quark được báo cáo bởi các nhà nghiên cứu tại CERN, tiến hành tại Phòng thí nghiệm C trong Cơ sở Máy gia tốc chùm tia điện tử liên tục của Phòng thí nghiệm Jefferson. Trong thí nghiệm, các electron năng lượng 10,6 GeV từ máy gia tốc CEBAF được đưa vào một khối đồng nhỏ. Các electron bị làm chậm lại hoặc bị lệch hướng khiến chúng phát ra bức xạ hãm dưới dạng photon. Chùm photon này sau đó đập vào các proton bên trong bia hydro lỏng. Các đầu dò đo “tàn dư” của những tương tác này dưới dạng electron và positron.
Các nhà khoa học quan tâm đến tương tác tạo ra các hạt J/Ψ giữa các hạt nhân proton của hydro. J/Ψ là một meson tồn tại trong thời gian ngắn được tạo thành từ các quark. Sau khi hình thành, nó nhanh chóng phân rã thành một cặp electron/positron. Trong số hàng tỷ tương tác, các nhà khoa học đã tìm thấy khoảng 2.000 hạt J/Ψ bằng cách xác nhận các cặp electron/positron trùng phùng. Trong thí nghiệm đó, các nhà khoa học đã thực hiện việc tạo ảnh của J/Ψ từ proton và nhận được sự phân bố gluon thay vì sự phân bố điện tích, sau đó, chèn các phép đo tiết diện vào các mô hình lý thuyết mô tả các hệ số dạng hấp dẫn gluonic của proton.
Hệ số dạng gluonic mô tả chi tiết các đặc tính cơ học của proton, như khối lượng và trọng lực của nó. Có hai đại lượng, được gọi là hệ số dạng hấp dẫn: phân bố parton tổng quát và sắc ký lượng tử ba chiều (QCD). Từ hai tổ hợp khác nhau của các đại lượng này, các nhà khoa học đã xác định bán kính khối gluonic nói trên bị chi phối bởi các gluon giống như graviton, cũng như bán kính lớn hơn của gluon hấp dẫn vô hướng mở rộng ra ngoài các quark chuyển động và giam giữ chúng.
Để hiểu đầy đủ những quan sát mới này và ý nghĩa của chúng đối với sự hiểu biết của khoa học hiện nay về sự giam giữ, cần một loạt thí nghiệm J/Ψ có độ chính xác cao. Một khả năng để khám phá thêm kết quả mới này là chương trình thử nghiệm Thiết bị năng lượng cao Solenoid, được gọi là SoLID. Chương trình SoLID vẫn đang trong giai đoạn đề xuất. Nếu được chấp thuận, các thí nghiệm được tiến hành với thiết bị SoLID sẽ cung cấp cái nhìn sâu sắc mới về J/Ψ. Bước quan trọng tiếp theo là đo J/Ψ bằng các đầu dò SoLID. Một trong những yếu tố chính của chương trình đó là lượng J/Ψ.
Từ khóa: Proton; quark; khối lượng proton; J/Ψ;
– CMD&DND –
