Minh họa vai trò của gluon và baryon junction trong bảo toàn số baryon

Các nhà vật lý khám phá cấu trúc gluon ẩn bên trong proton có thể viết lại sách giáo khoa

Một nghiên cứu mới từ máy gia tốc hạt RHIC tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven (Mỹ) đang thách thức cách hiểu truyền thống về cấu trúc bên trong của proton. Các nhà khoa học phát hiện ra rằng đặc tính bảo toàn số baryon — yếu tố giúp vật chất ổn định — có thể không chỉ nằm ở ba quark mà còn do một cấu trúc gluon hình chữ Y kết nối chúng đảm nhận. Nếu được xác nhận, phát hiện này sẽ làm thay đổi sách giáo khoa vật lý và giúp giải thích vì sao vũ trụ tồn tại dưới dạng vật chất như ngày nay.

Phát hiện mang tính bước ngoặt từ dữ liệu va chạm RHIC

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Science với sự tham gia của hợp tác quốc tế STAR tại máy gia tốc RHIC — một cơ sở người dùng của Văn phòng Khoa học Bộ Năng lượng Mỹ (DOE), hoạt động từ năm 2000 đến đầu 2026. Kết quả cho thấy số baryon có thể liên quan đến một "baryon junction" (nút baryon), một cấu trúc gluon hình chữ Y nối ba quark chính bên trong proton.

"Theo truyền thống, các nhà khoa học giả định rằng mỗi quark 'hóa trị' trong proton hoặc neutron mang một phần ba số baryon," — Zhangbu Xu, giáo sư tại Đại học Kent State, cho biết.

Ý tưởng kéo dài nửa thế kỷ về gluon

Khái niệm baryon junction lần đầu được đề xuất từ những năm 1970 để mô tả cách gluon kết nối các quark bên trong proton. Đến năm 1996, nhà vật lý lý thuyết Dmitri Kharzeev đề xuất rằng chính cấu trúc gluuon này — chứ không phải các quark — mới là nơi mang số baryon. Sau nhiều năm, hợp tác STAR đã phát triển phương pháp kiểm chứng giả thuyết này thông qua phân tích nhiều loại va chạm hạt tại RHIC.

Vì sao số baryon lại quan trọng?

Bảo toàn số baryon là một trong những nguyên lý nền tảng của vật lý hạt. Trong va chạm RHIC, tổng số hạt baryon (như proton, neutron) trước và sau va chạm phải không đổi. Nguyên lý này cũng áp dụng trên quy mô vũ trụ.

"Kể từ Vụ nổ Big Bang, tổng số proton và neutron không bao giờ thay đổi theo thời gian," — Nicole Lewis, nhà vật lý tại Đại học Rice, người khởi xướng dự án này từ năm 2020 tại Brookhaven.

Chính sự bảo toàn này giúp giải thích vì sao proton có tuổi thọ cực kỳ dài, lâu hơn cả tuổi của vũ trụ, qua đó cho phép hạt nhân nguyên tử hình thành và ổn định — điều kiện tiên quyết cho sự tồn tại của vật chất.

Proton phức tạp hơn mô hình đơn giản

Trong mô hình quark ngây thơ thường thấy trong sách giáo khoa, proton chỉ gồm ba quark và không có gì khác. Tuy nhiên, thực tế phức tạp hơn nhiều:

• Bên trong proton có rất nhiều gluon tương tác và kết nối giữa các quark.

• Các cặp quark và phản quark liên tục xuất hiện từ chân không.

• Tương tác mạnh được mô tả bởi lý thuyết sắc động lực học lượng tử (QCD) — rất thành công nhưng đôi khi cần thêm giả định để tái tạo các mẫu quan sát được.

Bằng chứng từ sự chênh lệch baryon

Điểm mấu chốt đến từ việc máy dò STAR ghi nhận nhiều baryon hơn phản baryon xuất hiện theo phương vuông góc với chùm tia va chạm. Nếu các quark đơn lẻ mang số baryon, thì cần cả ba quark hóa trị dừng lại gần tâm máy dò để tạo ra lượng baryon dư thừa như vậy. Nhưng khi so sánh với sự phân bố điện tích — một đặc tính khác của quark — các nhà khoa học thấy số baryon nhiều gấp đôi so với dự đoán từ số quark bị dừng lại.

Vai trò của cấu trúc gluon hình chữ Y

Cơ chế được đề xuất dựa trên sự thay đổi cấu trúc proton khi năng lượng tăng cao. Khi proton được tăng tốc, số lượng gluon bên trong tăng lên và phân chia, khiến mỗi gluon — kể cả những gluon tạo thành baryon junction — mang ít động lượng hơn. Trong khi đó, các quark hóa trị vẫn giữ nhiều động lượng tiến về phía trước.

"Trong va chạm, baryon junction bị giữ lại phía sau, còn các quark tiếp tục di chuyển," — Prithwish Tribedy, nhà vật lý STAR tại Brookhaven, giải thích.

Sau va chạm, gluon junction hình chữ Y hoạt động như một "nam châm" hình chữ Y, hút ba quark mới từ chân không để tạo thành baryon mới, đảm bảo bảo toàn số baryon.

Ý nghĩa đối với hiểu biết về vật chất

Kết quả này cho thấy một trong những đặc tính lượng tử xác định của proton có thể không nằm riêng lẻ ở ba quark hóa trị. Thay vào đó, cấu trúc gluon kết nối các quark có thể đóng vai trò trung tâm trong việc vận chuyển số baryon qua các va chạm năng lượng cao.

"Nghiên cứu của chúng tôi thách thức quan điểm lâu nay cho rằng số baryon chỉ được mang bởi ba quark. Sự hiểu biết mới này định hình lại cách chúng ta nghĩ về cấu trúc vật chất," — Rongrong Ma, nhà vật lý tại Brookhaven, nhấn mạnh.

Tác động đối với cộng đồng khoa học Việt Nam

Với sự phát triển ngày càng mạnh của vật lý hạt và công nghệ máy gia tốc trên thế giới, các nhà vật lý trẻ Việt Nam có thể tham gia vào các hợp tác quốc tế như STAR, ATLAS hay CMS tại CERN để góp phần giải mã những câu hỏi nền tảng về vật chất. Phát hiện này không chỉ có ý nghĩa học thuật mà còn mở ra tiềm năng ứng dụng trong các lĩnh vực công nghệ cao như điện toán lượng tử và khoa học vật liệu trong tương lai.

Nghiên cứu được tài trợ bởi Văn phòng Khoa học DOE, Quỹ Khoa học Quốc gia Mỹ (NSF) và nhiều tổ chức quốc tế khác.