Ngay cả những kính viễn vọng mạnh mẽ nhất cũng chưa thể nhìn thấy những sự kiện xảy ra trong thời điểm Big Bang. Tuy nhiên, một cách thú vị là chúng ta có thể tạo ra plasma từng tồn tại ngay sau khi vũ trụ ra đời bằng cách va chạm các nguyên tử. Hiện tại, trong khuôn khổ thí nghiệm ATLAS của CERN, máy va chạm hạt lớn (LHC) đang tiến hành va chạm các ion oxy với nhau, và sắp tới sẽ thực hiện tương tự với các ion neon. Những ion nặng như vậy có khả năng tạo ra plasma quark-gluon, loại plasma được cho là đã tồn tại khi vũ trụ lần đầu tiên bùng nổ.
Trong những khoảnh khắc đầu tiên của vũ trụ, mọi thứ nóng kinh khủng. Plasma quark-gluon có những hành vi kỳ lạ khi bị đốt nóng đến mức cực cao. Nguyên nhân là do ở nhiệt độ cao, lực mạnh—một trong ba lực cơ bản trong Mô hình Chuẩn về Vật lý Hạt—sẽ có những thay đổi lớn. Lực mạnh này giữ cho các hạt hạ nguyên tử luôn gắn chặt với nhau; các proton và neutron không thể tách rời nhờ vào các quark mà chúng tạo thành được giữ chặt bởi lực mạnh này. Lực này được truyền tải bởi các hạt cơ bản gọi là gluon, những hạt không có khối lượng và không mang điện tích nhưng lại có đặc tính quay ở các giá trị nguyên.
Vì các quark và gluon bị lực mạnh giữ chặt đến mức khó có thể tách rời, nên cách duy nhất để giải phóng chúng là phải tạo ra điều kiện nhiệt độ và mật độ vượt mức cho phép, đủ mạnh để "nấu chảy" các proton và neutron mà chúng tạo thành, từ đó tạo ra plasma quark-gluon. CERN đang thực hiện quy trình va chạm các ion oxy với nhau – và sắp tới sẽ thử nghiệm với ion neon – vì chúng có số proton và neutron ít hơn nhiều so với các ion chì thường được sử dụng để tạo ra plasma này. Điều này có nghĩa là việc va chạm oxy và neon sẽ tạo ra những "khối nhỏ" hơn của plasma quark-gluon, có thể tiết lộ những gì xảy ra giữa các va chạm của các hạt nhẹ (như proton) trong điều kiện "lạnh" và các hạt nặng (như ion chì) trong điều kiện nhiệt độ rất cao và mật độ dày đặc.
Các nhà nghiên cứu của CERN đang hy vọng sẽ quan sát được một số hiện tượng cụ thể trong quá trình thử nghiệm này. Một trong số đó là hiện tượng "jet quenching," xảy ra khi các chùm hạt năng lượng cao bắt đầu mất năng lượng khi di chuyển qua plasma quark-gluon. (Hiện tượng này đã được quan sát với các ion xenon và sắt trước đây, nhưng chưa bao giờ với các ion oxy hoặc neon.) Nếu như các lý thuyết đã dự đoán xảy ra đúng như vậy, kết quả từ thí nghiệm ATLAS có thể chỉ ra mức độ mật độ của plasma quark-gluon cần đạt được để hiện tượng jet quenching bắt đầu. Những thử nghiệm này cũng có thể cung cấp nhiều hiểu biết hơn về các điều kiện cần thiết để plasma hình thành, mở ra một "cái cổng" đưa chúng ta quay ngược về 14 tỷ năm trước, vào những điều kiện diễn ra sau Big Bang.
Ngoài ra, các thử nghiệm này còn có thể mang lại cho các nhà nghiên cứu thông tin mới về các làn sóng hạt được tạo ra từ các hạt hạ nguyên tử có nguồn gốc từ vũ trụ, va chạm với các nguyên tử oxy và nitrogen trong bầu khí quyển của Trái Đất. Vẫn còn rất nhiều điều chưa biết trong các tương tác này, việc va chạm proton với các ion oxy có thể tái tạo lại các tình huống mà các nhà khoa học có thể phân tích, tiếp cận một cách gần gũi và rõ nét hơn.
Elizabeth Rayne là một cây viết có nhiều tác phẩm được đăng trên các tạp chí nổi tiếng như Popular Mechanics, Ars Technica, SYFY WIRE, Space.com, Live Science, Den of Geek, Forbidden Futures và Collective Tales. Cô hiện sinh sống ngay bên ngoài New York City cùng chú vẹt Lestat của mình. Khi không viết lách, cô thích vẽ, chơi piano hoặc hình thành những dạng thức khác nhau trong thế giới của mình.
Nguồn tham khảo: https://www.popularmechanics.com/science/a65310055/cern-plasma-atlas/
Trong những khoảnh khắc đầu tiên của vũ trụ, mọi thứ nóng kinh khủng. Plasma quark-gluon có những hành vi kỳ lạ khi bị đốt nóng đến mức cực cao. Nguyên nhân là do ở nhiệt độ cao, lực mạnh—một trong ba lực cơ bản trong Mô hình Chuẩn về Vật lý Hạt—sẽ có những thay đổi lớn. Lực mạnh này giữ cho các hạt hạ nguyên tử luôn gắn chặt với nhau; các proton và neutron không thể tách rời nhờ vào các quark mà chúng tạo thành được giữ chặt bởi lực mạnh này. Lực này được truyền tải bởi các hạt cơ bản gọi là gluon, những hạt không có khối lượng và không mang điện tích nhưng lại có đặc tính quay ở các giá trị nguyên.
Vì các quark và gluon bị lực mạnh giữ chặt đến mức khó có thể tách rời, nên cách duy nhất để giải phóng chúng là phải tạo ra điều kiện nhiệt độ và mật độ vượt mức cho phép, đủ mạnh để "nấu chảy" các proton và neutron mà chúng tạo thành, từ đó tạo ra plasma quark-gluon. CERN đang thực hiện quy trình va chạm các ion oxy với nhau – và sắp tới sẽ thử nghiệm với ion neon – vì chúng có số proton và neutron ít hơn nhiều so với các ion chì thường được sử dụng để tạo ra plasma này. Điều này có nghĩa là việc va chạm oxy và neon sẽ tạo ra những "khối nhỏ" hơn của plasma quark-gluon, có thể tiết lộ những gì xảy ra giữa các va chạm của các hạt nhẹ (như proton) trong điều kiện "lạnh" và các hạt nặng (như ion chì) trong điều kiện nhiệt độ rất cao và mật độ dày đặc.
Các nhà nghiên cứu của CERN đang hy vọng sẽ quan sát được một số hiện tượng cụ thể trong quá trình thử nghiệm này. Một trong số đó là hiện tượng "jet quenching," xảy ra khi các chùm hạt năng lượng cao bắt đầu mất năng lượng khi di chuyển qua plasma quark-gluon. (Hiện tượng này đã được quan sát với các ion xenon và sắt trước đây, nhưng chưa bao giờ với các ion oxy hoặc neon.) Nếu như các lý thuyết đã dự đoán xảy ra đúng như vậy, kết quả từ thí nghiệm ATLAS có thể chỉ ra mức độ mật độ của plasma quark-gluon cần đạt được để hiện tượng jet quenching bắt đầu. Những thử nghiệm này cũng có thể cung cấp nhiều hiểu biết hơn về các điều kiện cần thiết để plasma hình thành, mở ra một "cái cổng" đưa chúng ta quay ngược về 14 tỷ năm trước, vào những điều kiện diễn ra sau Big Bang.
Ngoài ra, các thử nghiệm này còn có thể mang lại cho các nhà nghiên cứu thông tin mới về các làn sóng hạt được tạo ra từ các hạt hạ nguyên tử có nguồn gốc từ vũ trụ, va chạm với các nguyên tử oxy và nitrogen trong bầu khí quyển của Trái Đất. Vẫn còn rất nhiều điều chưa biết trong các tương tác này, việc va chạm proton với các ion oxy có thể tái tạo lại các tình huống mà các nhà khoa học có thể phân tích, tiếp cận một cách gần gũi và rõ nét hơn.
Elizabeth Rayne là một cây viết có nhiều tác phẩm được đăng trên các tạp chí nổi tiếng như Popular Mechanics, Ars Technica, SYFY WIRE, Space.com, Live Science, Den of Geek, Forbidden Futures và Collective Tales. Cô hiện sinh sống ngay bên ngoài New York City cùng chú vẹt Lestat của mình. Khi không viết lách, cô thích vẽ, chơi piano hoặc hình thành những dạng thức khác nhau trong thế giới của mình.
Nguồn tham khảo: https://www.popularmechanics.com/science/a65310055/cern-plasma-atlas/
