Một phép đo mới về lực hạt nhân mạnh, lực liên kết các proton và neutron với nhau, xác nhận những gợi ý trước đây về một sự thật khó chịu: Chúng ta vẫn chưa nắm vững lý thuyết vững chắc về ngay cả những hệ thống hạt nhân đơn giản nhất.

Để kiểm tra lực hạt nhân mạnh, các nhà vật lý đã chuyển sang hạt nhân helium-4, có hai proton và hai neutron. Khi các hạt nhân helium bị kích thích, chúng phát triển giống như một quả bóng căng phồng cho đến khi một trong các proton bật ra. Đáng ngạc nhiên là trong một thí nghiệm gần đây, các hạt nhân helium đã không phồng lên theo kế hoạch: Chúng phồng lên nhiều hơn dự kiến ​​trước khi nổ tung. Một phép đo mô tả sự mở rộng đó, được gọi là hệ số dạng, lớn gấp đôi so với các dự đoán lý thuyết.

“Lý thuyết nên hoạt động,” nói Sonia Bacca, một nhà vật lý lý thuyết tại Đại học Johannes Gutenberg của Mainz và là tác giả của bài báo mô tả sự khác biệt, được xuất bản trên Physical Review Letters. “Chúng tôi đang phân vân.”

Các nhà nghiên cứu cho biết, hạt nhân helium phồng lên là một loại phòng thí nghiệm nhỏ để kiểm tra lý thuyết hạt nhân vì nó giống như kính hiển vi — nó có thể phóng đại những thiếu sót trong tính toán lý thuyết. Các nhà vật lý cho rằng những đặc điểm nhất định trong sự sưng lên đó khiến nó cực kỳ nhạy cảm với ngay cả những thành phần yếu nhất của lực hạt nhân—những yếu tố quá nhỏ nên chúng thường bị bỏ qua. Hạt nhân nở ra bao nhiêu cũng tương ứng với độ yếu của vật chất hạt nhân, một thuộc tính cung cấp cái nhìn sâu sắc về trái tim bí ẩn của các sao neutron. Nhưng trước khi giải thích sự nghiền nát của vật chất trong các sao neutron, trước tiên các nhà vật lý phải tìm ra lý do tại sao những dự đoán của họ lại quá xa vời.

Bira van Kolck, một nhà lý thuyết hạt nhân tại Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Quốc gia Pháp, cho biết Bacca và các đồng nghiệp của cô đã khám phá ra một vấn đề quan trọng trong vật lý hạt nhân. Ông nói, họ đã tìm thấy một trường hợp mà sự hiểu biết tốt nhất của chúng ta về các tương tác hạt nhân - một khuôn khổ được gọi là lý thuyết trường hiệu quả bất đối - đã bị thiếu hụt.

“Sự chuyển đổi này khuếch đại các vấn đề [với lý thuyết] mà trong các tình huống khác không liên quan lắm,” van Kolck nói.

Lực lượng hạt nhân mạnh

Các nucleon nguyên tử — proton và neutron — được liên kết với nhau bằng lực mạnh. Nhưng lý thuyết về lực mạnh không được phát triển để giải thích cách thức các hạt nhân kết dính với nhau. Thay vào đó, nó lần đầu tiên được sử dụng để giải thích cách thức các proton và neutron được cấu tạo từ các hạt cơ bản gọi là quark và gluon.

Trong nhiều năm, các nhà vật lý không hiểu làm thế nào để sử dụng lực mạnh để hiểu lực dính của proton và neutron. Một vấn đề là bản chất kỳ lạ của lực mạnh — nó phát triển mạnh hơn khi khoảng cách ngày càng tăng, thay vì chết dần. Tính năng này ngăn họ sử dụng các thủ thuật tính toán thông thường của họ. Khi các nhà vật lý hạt muốn hiểu một hệ thống cụ thể, họ thường chia một lực thành các đóng góp gần đúng dễ quản lý hơn, sắp xếp các đóng góp đó từ quan trọng nhất đến kém quan trọng nhất, sau đó đơn giản là bỏ qua những đóng góp ít quan trọng hơn. Với lực lượng mạnh, họ không thể làm điều đó.

Sau đó, trong 1990, Steven Weinberg tìm thấy một cách để kết nối thế giới của các quark và gluon với các hạt nhân dính. Bí quyết là sử dụng một lý thuyết trường hiệu quả - một lý thuyết chỉ chi tiết đến mức cần thiết để mô tả tự nhiên ở một quy mô kích thước (hoặc năng lượng) cụ thể. Để mô tả hành vi của hạt nhân, bạn không cần biết về quark và gluon. Thay vào đó, ở những quy mô này, một lực hiệu quả mới xuất hiện—lực hạt nhân mạnh, được truyền giữa các nucleon bằng sự trao đổi pion.

Công trình của Weinberg đã giúp các nhà vật lý hiểu được lực hạt nhân mạnh xuất hiện từ lực mạnh như thế nào. Nó cũng giúp họ có thể thực hiện các tính toán lý thuyết dựa trên phương pháp đóng góp gần đúng thông thường. Bacca cho biết lý thuyết này - lý thuyết hiệu ứng đối kháng - hiện được nhiều người coi là “lý thuyết tốt nhất mà chúng tôi có”, để tính toán các lực chi phối hành trạng của hạt nhân.

Vào năm 2013, Bacca đã sử dụng lý thuyết trường hiệu quả này để dự đoán một hạt nhân helium bị kích thích sẽ phồng lên bao nhiêu. Nhưng khi cô ấy so sánh tính toán của mình với các thí nghiệm được thực hiện trong những năm 1970 và 1980, cô ấy đã tìm thấy một sự khác biệt đáng kể. Cô ấy đã dự đoán mức độ sưng sẽ ít hơn so với số lượng đo được, nhưng các thanh sai số thử nghiệm quá lớn khiến cô ấy không thể chắc chắn.

hạt nhân khinh khí cầu

Sau gợi ý đầu tiên về vấn đề đó, Bacca đã khuyến khích các đồng nghiệp của mình tại Mainz lặp lại các thí nghiệm đã tồn tại hàng thập kỷ - họ có sẵn các công cụ sắc bén hơn và có thể thực hiện các phép đo chính xác hơn. Những cuộc thảo luận đó đã dẫn đến một sự hợp tác mới: Simon Kegel và các đồng nghiệp của anh ấy sẽ cập nhật công việc thử nghiệm, và Bacca và các đồng nghiệp của cô ấy sẽ cố gắng hiểu sự không phù hợp hấp dẫn tương tự, nếu nó xuất hiện.

Trong thí nghiệm của họ, Kegel và các đồng nghiệp của ông đã kích thích các hạt nhân bằng cách bắn một chùm electron vào bình chứa khí helium lạnh. Nếu một electron bị nén trong phạm vi của một trong các hạt nhân helium, nó sẽ tặng một phần năng lượng dư thừa của nó cho các proton và neutron, khiến hạt nhân phồng lên. Trạng thái căng phồng này chỉ thoáng qua — hạt nhân nhanh chóng mất khả năng nắm bắt một trong các proton của nó, phân rã thành hạt nhân hydro có hai neutron, cộng với một proton tự do.

Cũng như các quá trình chuyển đổi hạt nhân khác, chỉ một lượng năng lượng cụ thể được tặng sẽ cho phép hạt nhân phồng lên. Bằng cách thay đổi động lượng của các electron và quan sát phản ứng của helium, các nhà khoa học có thể đo được sự giãn nở. Sau đó, nhóm nghiên cứu đã so sánh sự thay đổi này trong độ mở rộng của hạt nhân - hệ số dạng - với một loạt các tính toán lý thuyết. Không có lý thuyết nào phù hợp với dữ liệu. Nhưng, kỳ lạ thay, phép tính gần nhất lại sử dụng một mô hình đơn giản hóa quá mức của lực hạt nhân — không phải lý thuyết trường hiệu dụng bất đối.

Bacca nói: “Điều này hoàn toàn bất ngờ.

Các nhà nghiên cứu khác cũng bí ẩn không kém. “Đó là một thử nghiệm rõ ràng, được thực hiện tốt. Vì vậy, tôi tin tưởng vào dữ liệu, anh nói Laura Elisa Marcucci, một nhà vật lý tại Đại học Pisa ở Ý. Nhưng, cô ấy nói, thí nghiệm và lý thuyết mâu thuẫn với nhau, vì vậy một trong số chúng phải sai.

Mang lại sự cân bằng cho lực lượng

Nhìn lại, các nhà vật lý có một số lý do để nghi ngờ rằng phép đo đơn giản này sẽ thăm dò giới hạn hiểu biết của chúng ta về lực hạt nhân.

Đầu tiên, hệ thống này là đặc biệt persnickety. Năng lượng cần thiết để tạo ra hạt nhân helium phồng lên thoáng qua — các nhà nghiên cứu của bang muốn nghiên cứu — nằm ngay trên năng lượng cần thiết để giải phóng một proton và ngay dưới ngưỡng tương tự đối với một neutron. Điều đó làm cho mọi thứ khó tính toán.

Lý do thứ hai liên quan đến lý thuyết trường hiệu quả của Weinberg. Nó hoạt động vì nó cho phép các nhà vật lý bỏ qua những phần ít quan trọng hơn của các phương trình. Van Kolck cho rằng một số phần được coi là ít quan trọng và thường bị bỏ qua thực ra lại rất quan trọng. Ông nói, chiếc kính hiển vi được cung cấp bởi phép đo helium đặc biệt này đang làm sáng tỏ lỗi cơ bản đó.

“Tôi không thể quá quan trọng vì những tính toán này rất khó,” anh ấy nói thêm. “Họ đang làm những gì tốt nhất có thể.”

Một số nhóm, bao gồm cả nhóm của van Kolck, dự định lặp lại các tính toán của Bacca và tìm hiểu xem điều gì đã xảy ra. Có thể là chỉ cần bao gồm nhiều thuật ngữ hơn trong xấp xỉ của lực hạt nhân có thể là câu trả lời. Mặt khác, cũng có thể những hạt nhân helium đang phình to này đã bộc lộ một lỗ hổng chết người trong hiểu biết của chúng ta về lực hạt nhân.

Bacca nói: “Chúng tôi đã đưa ra câu đố, nhưng tiếc là chúng tôi chưa giải được câu đố. "Chưa."