CERN Xác Nhận Plasma Quark-Gluon Phản Ứng Như Chất Lỏng Kết Dính Cao

Các nhà khoa học tại Tổ chức Nghiên cứu Hạt nhân Châu Âu (CERN), nơi vận hành Máy gia tốc Hạt Lớn (LHC) dài 27 km gần Geneva, Thụy Sĩ, đã xác nhận một phát hiện quan trọng về trạng thái vật chất sơ khai của vũ trụ: plasma quark-gluon (QGP) hoạt động như một chất lỏng có tính kết dính cao.

Phát hiện này giải quyết một cuộc tranh luận kéo dài trong vật lý về bản chất cơ bản của QGP, trạng thái vật chất nóng nhất và cổ xưa nhất từng tồn tại. Để tái tạo các điều kiện khắc nghiệt của vũ trụ chỉ vài phần triệu giây sau Vụ Nổ Lớn (Big Bang), các nhà nghiên cứu đã thực hiện các vụ va chạm ion chì nặng ở tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng trong LHC. Các nhà khoa học đã quan sát được những “vết gợn sóng” có thể đo lường được, tương tự như sóng do một chiếc thuyền tạo ra trên mặt nước, do các quark di chuyển nhanh xuyên qua môi trường QGP. Điều này cho thấy plasma phản ứng một cách tập thể, chảy và bắn tóe, trái ngược với sự phân tán ngẫu nhiên của các hạt riêng lẻ.

Giáo sư Yen-Jie Lee, nhà vật lý tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT), người dẫn dắt nhóm nghiên cứu, khẳng định rằng plasma đủ đặc để làm chậm một quark và tạo ra các vệt bắn và xoáy như chất lỏng, qua đó xác nhận QGP là một “nồi súp nguyên thủy”. Để tách biệt tín hiệu của một quark đơn lẻ khỏi sự nhiễu loạn của các quá trình khác, nhóm nghiên cứu đã phát triển một kỹ thuật phân tích tinh vi. Kỹ thuật này tập trung vào các sự kiện va chạm hiếm gặp, trong đó một quark năng lượng cao được tạo ra ngược hướng với một boson Z trung hòa. Vì boson Z tương tác rất yếu với môi trường xung quanh, nó đóng vai trò là một “thẻ đánh dấu” sạch sẽ, cho phép các nhà khoa học quy kết bất kỳ gợn sóng plasma nào quan sát được chỉ là do tương tác của quark với môi trường.

Phân tích dữ liệu từ khoảng 13 tỷ vụ va chạm ion nặng, các nhà nghiên cứu đã sàng lọc và xác định được xấp xỉ 2.000 sự kiện “vàng” có chứa boson Z thỏa mãn các tiêu chí khắt khe về động lượng ngang cao, nằm trong khoảng 40 đến 350 GeV. Những phép đo này được thực hiện dựa trên dữ liệu va chạm PbPb thu thập vào năm 2018 ở mức năng lượng 5,02 TeV trên mỗi cặp nucleon, cùng với dữ liệu pp so sánh từ năm 2017. Những quan sát này cung cấp bằng chứng thực nghiệm rõ ràng nhất cho thấy QGP hoạt động như một chất lỏng gần như hoàn hảo, có độ nhớt nội tại thấp, một đặc tính đã được lý thuyết dự đoán.

Khám phá này có ý nghĩa sâu sắc đối với sự hiểu biết của chúng ta về những khoảnh khắc đầu tiên của vũ trụ, khi vật chất bị chi phối bởi QGP trước khi nguội đi và hình thành các proton và neutron. Các mô hình lý thuyết “lai” kết hợp mô tả lượng tử về các tia jet (từ quark) và mô tả thủy động lực học về môi trường chất lỏng đều dự đoán sự tồn tại đồng thời của một “lỗ hổng” theo hướng tia jet và sự “phản hồi” của môi trường thông qua việc tăng cường các hạt có động lượng thấp, cho thấy sự tương thích với các thay đổi quan sát được. Các nhà vật lý dự kiến sẽ tiếp tục nghiên cứu chi tiết hơn về các đặc tính của QGP, bao gồm cả việc trình bày tại hội nghị SQM2026 vào tháng 3 năm 2026 tại Đại học California Los Angeles (UCLA).