Các nhà vật lý đã tạo ra ba hình dạng khác nhau của các đốm plasma quark-gluon bằng Máy va chạm ion nặng tương đối tính tại Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven. Plasma này là một loại vật chất kỳ lạ lấp đầy vũ trụ trong một phần nghìn giây đầu tiên sau Vụ nổ lớn.
(Ảnh: © Javier Orjuela Koop)
Trong lần phân chia thứ nhất sau Vụ nổ lớn, vũ trụ không gì khác ngoài một "súp" cực kỳ nóng của quark và gluon - các hạt hạ nguyên tử sẽ trở thành các khối xây dựng của proton và neutron. Bây giờ, 13,8 tỷ năm sau, các nhà khoa học đã tạo lại món súp nguyên thủy này trong phòng thí nghiệm.
Sử dụng Máy va chạm ion nặng tương đối tính tại Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven ở Upton, New York, các nhà vật lý đã tạo ra những giọt nhỏ của plasma quark-gluon này bằng cách đập vỡ các tổ hợp proton và neutron khác nhau. Trong các vụ tai nạn này, các quark và gluon tạo nên các proton và neutron đã thoát ra và hoạt động như một chất lỏng, các nhà nghiên cứu phát hiện.
Tùy thuộc vào sự kết hợp của các hạt mà các nhà nghiên cứu đập vỡ với nhau, các khối plasma nhỏ, giống như chất lỏng của plasma tạo thành một trong ba hình dạng hình học riêng biệt: hình tròn, hình elip hoặc hình tam giác. [Hình ảnh: Ngắm lại Big Bang & Vũ trụ sớm]
Jamie Nagle, nhà vật lý tại Đại học Colorado Boulder, người tham gia nghiên cứu cho biết: "Kết quả thử nghiệm của chúng tôi đã đưa chúng tôi đến gần hơn để trả lời câu hỏi về lượng vật chất vũ trụ ban đầu nhỏ nhất có thể tồn tại".
Các plasma Quark-gluon lần đầu tiên được tạo ra tại Brookhaven vào năm 2000, khi các nhà nghiên cứu đập vỡ hạt nhân của các nguyên tử vàng. Sau đó, các nhà khoa học tại Large Hadron Collider ở Geneva đã thách thức những kỳ vọng khi họ tạo ra plasma bằng cách đập hai proton lại với nhau. "Điều đó thật đáng ngạc nhiên bởi vì hầu hết các nhà khoa học cho rằng các proton đơn độc không thể cung cấp đủ năng lượng để tạo ra bất cứ thứ gì có thể chảy như chất lỏng", các quan chức của UC Boulder cho biết trong tuyên bố.
Nagle và các đồng nghiệp của mình đã quyết định kiểm tra tính chất lỏng của trạng thái vật chất kỳ lạ này bằng cách tạo ra những khối nhỏ của nó. Nếu plasma thực sự hoạt động giống như một chất lỏng, các quả cầu nhỏ sẽ có thể giữ được hình dạng của chúng, các nhà nghiên cứu dự đoán.
"Hãy tưởng tượng rằng bạn có hai giọt nước đang mở rộng vào chân không", Nagle nói. "Nếu hai giọt thực sự gần nhau, thì khi chúng mở rộng ra, chúng chạy vào nhau và đẩy nhau, và đó là thứ tạo ra mô hình này."
"Nói cách khác, nếu bạn ném hai hòn đá xuống một cái ao gần nhau, những gợn sóng từ những tác động đó sẽ chảy vào nhau, tạo thành một mô hình giống như hình elip", các quan chức của UC Boulder nói. "Điều tương tự cũng có thể đúng nếu bạn đập một cặp proton-neutron, được gọi là deuteron, thành một thứ gì đó lớn hơn ... Tương tự như vậy, bộ ba proton-proton-neutron, còn được gọi là nguyên tử helium-3, có thể mở rộng ra thành thứ gì đó giống như đến một hình tam giác. "
Bằng cách đưa các tổ hợp proton và neutron khác nhau này vào các nguyên tử vàng với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng, các nhà nghiên cứu đã có thể thực hiện chính xác những gì họ hy vọng: tạo ra các đốm hình elip và hình tam giác của plasma quark-gluon. Khi các nhà khoa học đập một hạt proton vào nguyên tử vàng, kết quả là một đốm tròn của món súp nguyên thủy.
Những giọt plasma quark-gluon tồn tại trong thời gian ngắn này đã đạt đến nhiệt độ hàng nghìn tỷ độ C. Các nhà nghiên cứu nghĩ rằng nghiên cứu loại vật chất này "có thể giúp các nhà lý thuyết hiểu rõ hơn về cách plasma plasma quark-gluon ban đầu của vũ trụ làm mát trong một phần nghìn giây, sinh ra các nguyên tử đầu tiên tồn tại", các quan chức của UC Boulder nói.
Kết quả của nghiên cứu này đã được công bố vào ngày 10 tháng 12 trên tạp chí Nature Vật lý.
