Các nhà khoa học tạo ra 'Vụ nổ Big Bang nhỏ' để nghiên cứu nguồn gốc vũ trụ

Phát hiện mới từ tổ chức nghiên cứu hạt nhân châu Âu (CERN) đã viết lại giới hạn về kích thước nguyên tử cần thiết để tái tạo trạng thái vật chất cực đoan từng tồn tại trong những khoảnh khắc đầu tiên của vũ trụ. Bằng cách sử dụng các nguyên tử nhẹ hơn nhiều so với chì, nhóm nghiên cứu đã thành công trong việc tạo ra plasma quark-gluon (QGP) — thứ được ví như "món súp nguyên thủy" của vũ trụ.

Plasma quark-gluon là gì?

Trong phần triệu giây đầu tiên sau Vụ nổ Big Bang, vật chất không tồn tại như chúng ta biết ngày nay. Vũ trụ khi đó là một khối plasma quark-gluon cực nóng và đặc — nơi các hạt quark và gluon chưa bị "giam giữ" bên trong proton và neutron.

Quark là thành phần cấu tạo nên proton và neutron, trong khi gluon có vai trò "kết dính" các quark lại với nhau. Khi vũ trụ giãn nở và nguội đi, các quark này ngưng tụ thành các hạt lớn hơn mà chúng ta thấy ngày nay.

Bước đột phá từ các vụ va chạm nhỏ

Trong nhiều năm, các máy gia tốc hạt — nơi va chạm các phân tử ở tốc độ gần bằng ánh sáng — đã có thể tái tạo trạng thái QGP, nhưng thường phải sử dụng các nguyên tố nặng như chì. Tuy nhiên, thí nghiệm mới từ CERN đã chứng minh điều ngược lại.

Theo bài báo đăng trên tạp chí Physical Review Letters, nhóm nghiên cứu quốc tế đã tạo ra QGP bằng cách sử dụng oxygen-16 và neon-20 — cả hai đều nhẹ hơn chì tới 10 lần. Trước đây, chì được coi là một trong những nguyên tố nhẹ nhất có thể tạo ra trạng thái vật chất này.

"Chúng tôi đã đẩy ranh giới về mức độ nhỏ của hạt nhân nguyên tử có thể khi vẫn tái tạo được vật chất nguyên thủy này — thứ mà bạn có thể gọi là 'vụ nổ Big Bang nhỏ'. Chúng ta giờ đây hiểu rõ hơn về các điều kiện cơ bản cần thiết để vật chất chuyển sang trạng thái cực đoan này," You Zhou, nhà nghiên cứu tại Viện Niels Bohr (Hà Lan), đồng tác giả nghiên cứu, chia sẻ trong thông cáo báo chí.

Ý nghĩa đối với vật lý vũ trụ

Các nhà khoa học phát hiện rằng, dù kích thước hạt nhân nhỏ, các va chạm vẫn tạo ra tín hiệu phù hợp với hành vi dự kiến của QGP. Trong một khoảnh khắc, vật chất được tạo ra giãn nở tập thể như một chất lỏng trước khi nguội đi và trở lại thành các hạt thông thường.

Vì không còn nguồn tự nhiên nào của "bùn nguyên thủy" này, các vụ nổ Big Bang siêu nhỏ là công cụ quan trọng để hé lộ điều gì đã xảy ra trong những phút đầu tiên của vũ trụ.

"Hy vọng điều này sẽ giúp chúng ta hiểu rõ hơn về cách plasma hoạt động trong những khoảnh khắc đầu tiên của vũ trụ — và cách nó sau đó phát triển thành các dạng vật chất tạo nên mọi thứ xung quanh chúng ta," Zhou nói thêm.

Đối với cộng đồng vật lý Việt Nam, phát hiện này là minh chứng cho thấy những nghiên cứu cơ bản về vật lý hạt vẫn đang tiến rất nhanh, mở ra tiềm năng hợp tác quốc tế cho các nhà khoa học trẻ trong lĩnh vực này.