Vệt sóng trong súp nguyên thủy: Trạng thái vật chất đầu tiên của vũ trụ thực sự là chất lỏng

Các nhà vật lý thuộc Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) và Tổ chức Nghiên cứu Hạt nhân Châu Âu (CERN) đã ghi nhận bằng chứng trực tiếp cho thấy trạng thái vật chất ban đầu của vũ trụ vận hành giống như một chất lỏng thực thụ. Bằng cách theo dõi chuyển động của các hạt quark tốc độ cao xuyên qua khối huyết tương quark-gluon, các nhà nghiên cứu đã quan sát thấy những gợn sóng, vệt nước và dòng xoáy xuất hiện phía sau hạt. Hiện tượng này tương tự như vệt sóng do một con vịt rẽ nước tạo ra khi bơi qua mặt hồ. Kết quả vừa được công bố trên tạp chí Physics Letters B đã giải quyết cuộc tranh luận kéo dài nhiều năm về khả năng phản ứng tập thể của trạng thái vật chất nguyên thủy. [1]

Súp nguyên thủy trong những microgiây đầu tiên của vũ trụ

Trong vài phần triệu giây đầu tiên ngay sau vụ nổ Big Bang, vũ trụ tồn tại ở trạng thái cực kỳ nóng với nhiệt độ đạt đến hàng nghìn tỷ độ C. Trong môi trường khắc nghiệt này, các hạt cơ bản gồm quark và gluon không thể liên kết với nhau để tạo thành các hạt nhân nguyên tử. Thay vào đó, chúng di chuyển tự do với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng, tạo nên một trạng thái vật chất đặc biệt gọi là huyết tương quark-gluon. Trạng thái này chỉ tồn tại trong thời gian ngắn trước khi vũ trụ nguội đi, cho phép các hạt kết hợp thành proton, neutron và các dạng vật chất hiện hữu ngày nay. [1]

Để tái tạo môi trường sơ khai này, các nhà vật lý tại Máy gia tốc hạt lớn (LHC) của CERN đã cho các ion nặng như chì va chạm với nhau ở năng lượng siêu cao. Những cú va chạm tạo ra các giọt huyết tương quark-gluon cực nhỏ với tuổi thọ ngắn hơn một phần triệu tỷ giây. Nhiều mô hình lý thuyết trước đó, tiêu biểu là mô hình hỗn hợp do Giáo sư Krishna Rajagopal tại MIT phát triển, dự báo rằng khối huyết tương này là một chất lỏng gần như hoàn hảo với ma sát cực thấp. Theo mô hình này, khi một hạt năng lượng cao xuyên qua khối huyết tương, môi trường xung quanh sẽ chịu tác động và phản ứng tập thể giống như một chất lỏng. [1]

Vì sao vệt sóng của hạt quark lại khó nhận biết?

Mặc dù lý thuyết dự đoán huyết tương quark-gluon có tính chất lỏng, việc quan sát vệt sóng do hạt quark gây ra trong thực nghiệm đã gặp rào cản lớn suốt nhiều năm. Trong các phản ứng hạt nhân ở máy gia tốc, các hạt quark di chuyển nhanh thường được sinh ra theo cặp cùng với hạt phản vật chất tương ứng là phản quark. Hai hạt này phóng về hai hướng ngược nhau với năng lượng tương đương. [1]

Khi cả hạt quark và phản quark cùng đâm qua khối huyết tương theo hai chiều ngược lại, mỗi hạt đều tạo ra vệt nhiễu loạn riêng. Sự xuất hiện đồng thời của hai dòng sóng khiến vệt gợn từ hạt này đè lên và che khuất vệt sóng của hạt kia. Giáo sư Yen-Jie Lee từ MIT cho biết việc xác định tín hiệu từ một hạt quark đơn độc trở nên cực kỳ phức tạp khi vệt sóng bị nhiễu bởi vệt sóng đối ứng. Đây là lý do khiến các tìm kiếm vệt sóng trước đó tại LHC gặp nhiều bế tắc. [1]

Hạt Z boson: Thước đo mốc sạch trong lòng huyết tương

Để vượt qua giới hạn chồng lấp tín hiệu, nhóm nghiên cứu tại MIT hợp tác với nhóm của Giáo sư Yi Chen tại Đại học Vanderbilt đã xây dựng phương pháp đánh dấu hoàn toàn mới. Thay vì săn tìm cặp hạt quark và phản quark, họ tập trung phân tích các sự kiện va chạm tạo ra một hạt quark bay ngược hướng với một hạt Z boson. [1]

Hạt Z boson là một hạt cơ bản trung tính đảm nhận lực yếu, có đặc tính hiếm khi tương tác với môi trường huyết tương quark-gluon vây quanh. Đồng thời, hạt Z boson xuất hiện ở một mức năng lượng đặc trưng giúp các máy đo nhận diện dễ dàng. Khi một cú va chạm ngẫu nhiên tạo ra cặp hạt Z boson và hạt quark, hạt Z boson sẽ bay xuyên qua khối huyết tương mà không để lại xáo trộn đáng kể. Ngược lại, hạt quark ở phía đối diện vẫn di chuyển mạnh mẽ và gây ra biến động. Nhờ hạt Z boson đóng vai trò như một điểm mốc tham chiếu sạch, toàn bộ vệt sóng hay dòng xoáy xuất hiện ở phía đối diện có thể được quy chính xác cho hạt quark gây ra. [1]

Phát hiện dòng xoáy từ 13 tỷ cú va chạm hạt

Sử dụng dữ liệu từ thiết bị ghi nhận hạt CMS (Compact Muon Solenoid) tại CERN, đội ngũ nghiên cứu đã sàng lọc qua khoảng 13 tỷ sự kiện va chạm ion nặng. Từ tập dữ liệu khổng lồ này, họ xác định được khoảng 2.000 sự kiện có sự xuất hiện đồng thời của hạt Z boson và hạt quark năng lượng cao. [1]

Với mỗi sự kiện được chọn, các nhà vật lý lập bản đồ chi tiết về sự phân bố năng lượng bên trong giọt huyết tương quark-gluon ngắn ngủi. Kết quả phân tích cho thấy ở vùng không gian đối diện hạt Z boson, vật chất thể hiện các mô hình biến dạng đặc trưng cho dòng chất lỏng như gợn sóng và chuyển động xoáy. Mật độ của khối huyết tương nguyên thủy lớn đến mức đủ sức làm chậm tốc độ của hạt quark phóng qua, đồng thời cuộn kéo vật chất theo vệt di chuyển của hạt. Quan sát này cung cấp bằng chứng trực tiếp đầu tiên khẳng định hạt quark thực sự kéo theo vật chất xung quanh khi tạo sóng. [1]

Ý nghĩa của việc chứng minh tính chất lỏng nguyên thủy

Phát hiện mới này xác nhận dự báo của mô hình hỗn hợp Rajagopal, đồng thời khẳng định huyết tương quark-gluon thực sự vận hành như chất lỏng đầu tiên và nóng nhất từng xuất hiện trong lịch sử vũ trụ. Bằng cách đo đạc kích thước vệt sóng, tốc độ lan truyền và thời gian suy giảm của gợn sóng, các nhà khoa học có thể xác định các thuộc tính vật lý cốt lõi của khối súp nguyên thủy này với độ chính xác chưa từng có. [1]

Việc ghi nhận thành công vệt sóng hạt quark không chỉ mở ra phương pháp nghiên cứu mới cho các đợt chạy máy gia tốc tiếp theo tại CERN mà còn giúp các nhà vật lý có được hình ảnh rõ nét hơn về trạng thái vũ trụ trong những vi giây đầu tiên sau nổ Big Bang. Môi trường vật chất siêu nóng và siêu đặc này giờ đây có thể được khảo sát thông qua các đặc tính thủy động học thực tế thay vì chỉ dừng lại ở các giả thuyết lý thuyết. [1]