Một anh chàng vừa mới chia tay người yêu vào lúc 10 giờ đêm và không tài nào ngủ nổi. Đồng hồ lúc này đã điểm 2 giờ sáng.

Anh ta nằm trằn trọc nhìn lên trần nhà trong một căn phòng tối om và lạnh ngắt. Điện thoại trên tay vẫn đang hiển thị những dòng tin nhắn cũ kỹ từ 3 đến 4 năm trước với người con gái đã không còn thuộc về anh ta. Anh đã đọc đi đọc lại đến hàng trăm lần – dường như anh đang cố gắng tìm lại một chút hơi ấm, một tia hy vọng hay một niềm hạnh phúc ít ỏi còn sót lại.

Vậy đây chỉ đơn giản là một sự hoài niệm – một chút yếu lòng của kẻ lụy tình?

Không hẳn. Điều mà chàng trai nặng tình này đang làm còn phức tạp hơn thế – một nhiệm vụ dường như là bất khả thi: anh ta đang cố gắng sử dụng năng lượng của hiện tại để triệu hồi một thực thể đã hoàn toàn biến mất trong dòng thời gian của anh.

“Anh chàng này bị điên rồi” – bạn thầm nghĩ trong lòng. Nhưng trớ trêu thay, sự cố chấp điên rồ này không phải là hiếm. 

Nằm sâu bên trong lòng đất tại vùng biên giới giữa Pháp và Thụy Sĩ, những bộ óc xuất chúng nhất tại Tổ chức Nghiên cứu Hạt nhân Châu Âu (CERN) cũng đã và đang đốt sạch hơn 10 tỷ USD để thực hiện một nhiệm vụ giống hệt với những gì mà anh chàng lụy tình kia đang làm: Triệu hồi những “bóng ma” đã biến mất từ rất rất lâu trước đó trong dòng cát của thời gian – một quá khứ mà không ai có thể quay trở lại.

Và những gì họ thu được chỉ là một ảo ảnh bị vỡ vụn sau một phần tỷ tỷ giây – những hạt bụi đến từ quá khứ.

1. Một cái sở thú hỗn loạn

Câu hỏi đầu tiên:

Tại sao nhân loại lại phải xây dựng một cỗ máy to bằng cả một cái thành phố ở bên dưới lòng đất chỉ để tìm kiếm một vài hạt bụi?

Để trả lời được câu hỏi này, trước tiên, chúng ta phải quay ngược thời gian về thời điểm con người bắt đầu hoài nghi về chính bản chất của thực tại.

Vào khoảng 2.500 năm trước, khi nhà triết học Democritus đang ngồi trên bờ biển Địa Trung Hải và đang mân mê một thỏi vàng trên tay, một câu hỏi bỗng dưng nảy ra trong đầu của ông.

Nếu như mình cứ cắt thỏi vàng này làm đôi, rồi lại cắt đôi phần còn lại, liệu quá trình này có thể kéo dài mãi mãi được không?

Và câu trả lời mà ông đưa ra đó chính là KHÔNG. Phải có một điểm dừng, một điểm mà không thể bị chia cắt cho hơn được nữa. Và ông gọi nó là atomos. Democritus cho rằng toàn bộ thế giới này, từ một hòn đá vô tri cho đến giọt nước mắt của bạn, tất cả chỉ đơn giản là một tổ hợp các cách sắp xếp khác nhau của những hạt atomos.

Trong suốt hàng thiên niên kỷ sau đó, nhân loại dường như đã khá hài lòng với ý tưởng này… 

Cho đến cuối thế kỷ 19.

Vào năm 1897, J.J. Thomson đã phát hiện ra một thực thể còn nhẹ hơn cả nguyên tử hydro tới gần 2.000 lần. Nó là một hạt vật chất mang điện tích âm. Lúc này người ta mới bàng hoàng nhận ra: Nguyên tử không phải là một khối vật chất đậm đặc. Nó được làm nên từ những “vật liệu” còn nhỏ hơn nữa. Và thứ mà Thomson tìm ra chính là electron.

Sau đó, Ernest Rutherford đã dùng một chùm tia alpha để bắn vào một lá vàng mỏng và phát hiện ra rằng: phần lớn nguyên tử thực chất là một khoảng không gian trống rỗng. Toàn bộ khối lượng của nó tập trung vào một hạt nhân bé tí tẹo ở tâm.

Đến năm 1932, khi James Chadwick đã tìm ra neutron, bức tranh về bản chất của thực tại đã trở nên khá gọn gàng với ba “vị huynh đài”: proton, neutron và electron – giống như việc bạn nghĩ rằng cuộc đời mình chỉ xoay quanh ba nhu cầu cơ bản: ăn, ngủ và kiếm tiền. Thật đơn giản và dễ hiểu.

Nhưng sự thật thì luôn luôn phức tạp hơn rất nhiều. 

Khi người ta bắt đầu chế tạo ra những máy gia tốc hạt sơ khai và quan sát các tia vũ trụ dội xuống Trái Đất từ không gian sâu thẳm, họ đã phát hiện ra một sự thật kinh hoàng: Thế giới hạ nguyên tử không chỉ có ba hạt đó. Hàng trăm các loại hạt mới bắt đầu xuất hiện với những cái tên khá quái dị và khó hiểu: pion, muon, tau, lambda, sigma hay xi.

Các hạt này chỉ đơn giản là xuất hiện trong các vụ va chạm, tồn tại trong khoảng thời gian còn nhanh hơn cả một cái nháy mắt rồi phân rã thành các hạt khác ổn định hơn. 

Giới vật lý vào thời điểm đó rơi vào một cuộc khủng hoảng hiện sinh thực sự. Nhà vật lý đoạt giải Nobel Willis Lamb thậm chí đã cay đắng thốt lên:

Khi tìm ra một hạt mới, người ta đã từng trao giải Nobel cho người đã phát hiện ra nó. Nhưng giờ đây, kẻ nào tìm ra một loại hạt mới đáng lẽ phải bị phạt $10.000!

Nhìn chung thì đống hạt này lộn xộn và kỳ quái đến mức người ta đã đặt tên cho giai đoạn này là thời kỳ của “Sở thú hạt” (The Particle Zoo)

Lúc này, chúng ta đã nhận ra rằng mình hoàn toàn chẳng hiểu bất cứ thứ gì về bản chất của thế giới mà chúng ta đang sống cả. Nó giống như việc bạn bước vào một mối quan hệ và nhận ra đối phương có hàng trăm bộ mặt, hàng trăm tính cách dị biệt mà bạn chưa từng biết tới, khiến bạn bắt đầu nghi ngờ chính khả năng nhìn người của bản thân.

Và thế là từ đống tro tàn của sự hỗn loạn này, người ta đã buộc phải thiết lập ra một “bộ luật” nhằm có thể kiểm soát được cái sở thú điên rồ này.

Vậy thì “bộ luật” này hoạt động như thế nào?

2. “Bộ tứ siêu đẳng” giúp định hình toàn bộ vũ trụ

Để hiểu được bộ luật này, trước tiên, chúng ta cần hiểu rõ về bốn lực cơ bản.

Vậy thì bốn lực đó là gì?

Đầu tiên đó chính là lực hạt nhân mạnh – một lực hút rất mạnh chỉ có thể phát huy tác dụng trong một khoảng cách rất ngắn (khoảng 10⁻¹⁵ m). Lực này chịu trách nhiệm cho việc liên kết các proton và neutron lại với nhau trong hạt nhân nguyên tử. Dẫu vậy, không phải tất cả các hạt đều chịu ảnh hưởng bởi lực hạt nhân mạnh – một ví dụ điển hình đó chính là electron và neutrino. Giống như tên gọi của nó, lực này mạnh hơn nhiều so với các lực khác.

Tiếp theo đó chính là lực điện từ – một lực có sức ảnh hưởng trên khoảng cách rất lớn (có thể là vô hạn) nhưng chỉ có sức mạnh bằng 1/100 so với lực hạt nhân mạnh. Và các hạt chịu sự ảnh hưởng của lực này được gọi là các điện tích. Trái với lực hạt nhân mạnh, lực điện từ có thể là lực hút – khi các điện tích trái dấu hút nhau; hoặc lực đẩy – khi các điện tích cùng dấu đẩy nhau.

Thứ ba đó chính là lực hạt nhân yếu – một lực chỉ có thể phát huy tác dụng trong khoảng cách rất ngắn (10⁻¹⁵ m). Và đúng như tên gọi của nó, lực này…rất yếu và đóng một vai trò vô cùng quan trọng trong quá trình phân rã của các hạt hạ nguyên tử, chẳng hạn như neutron có thể phân rã thành proton, electron và neutrino electron.

Cuối cùng đó chính là lực hấp dẫn. Giống như lực điện từ, lực hấp dẫn có sức ảnh hưởng trên một khoảng cách vô cùng lớn giữa các vật thể mang khối lượng; tuy nhiên, lực hút này chỉ có thể phát huy tác dụng trong một phạm vi nhất định mà thôi. So với các lực khác trong tự nhiên, lực hấp dẫn là lực yếu nhất.

3. Những “viên đá vô cực” nhỏ xíu trong vũ trụ

Cùng với bốn lực cơ bản ở bên trên, trong tự nhiên tồn tại một lượng lớn các hạt hạ nguyên tử. Dù có số lượng rất lớn nhưng về cơ bản, các hạt này có thể được phân loại theo hai cách chính: dựa vào spin của các hạt hoặc cách chúng tương tác với bốn lực cơ bản. 

Trước hết, hãy cùng đi vào cách phân loại thứ nhất: spin.

Vậy thì spin là gì?

Spin có nghĩa là độ tự quay – giống như cách mà Trái Đất tự quay quanh trục của nó vậy. Dẫu vậy, các hạt hạ nguyên tử này lại không “quay” giống như “phong cách” của Trái Đất hay bất cứ vật thể nào khác mà chúng ta đã biết. Nó chỉ đơn giản là một đặc tính sẵn có của một hạt.

Ví dụ, các đặc tính vốn có của electron đó chính là mang điện tích âm và có khối lượng là 9,1094 x 10^–31 kg. Chúng ta có thể đặt ra câu hỏi là “Tại sao electron lại có điện tích âm?” hay “Tại sao electron lại nặng 9,1094 x 10^–31 kg mà không phải là một con số khác” – một câu hỏi khá hóc búa nhưng đây chỉ đơn giản là một đặc tính sẵn có của electron trong vũ trụ này: Electron phải mang điện tích âm và phải nặng  9,1094 x 10^–31 kg.

Và spin – hay động lượng góc nội tại – cũng là một đặc tính sẵn có giống như vậy với mỗi hạt sẽ có một spin riêng.

Dựa vào tính chất này, các hạt vật chất có thể được chia thành fermion và boson. Các fermion thường sẽ có spin bán nguyên (1/2⁢ℏ, 3/2⁢ℏ,…) và các boson có spin nguyên (0⁢ℏ, 1⁢ℏ, 2⁢ℏ,…).

Ví dụ điển hình nhất về fermion đó chính là electron, proton và neutron; còn đối với boson đó chính là photon.

Vì có spin khác nhau nên fermion và boson sẽ có những tính chất và hành vi rất đặc thù. Chẳng hạn, vì có spin bán nguyên nên khi electron bị “gò ép” trong một vùng không gian rất nhỏ, nguyên lý loại trừ Pauli phát biểu rằng sẽ không có bất kỳ hai electron nào có thể chiếm cùng một trạng thái lượng tử. Tuy nhiên, khi photon bị giới hạn trong một vùng không gian tương tự, chúng lại không bị chi phối bởi một giới hạn như vậy.

Tại đây, các fermion có thể tiếp tục được phân chia thành quark và lepton. Sự khác biệt rõ rệt nhất giữa hai loại hạt này là quark chịu ảnh hưởng rất lớn của lực hạt nhân mạnh còn lepton thì không.

Trước hết, hai hàng trên cùng (màu tím) đang chứa sáu quark và được sắp xếp thành hai họ: up, charm và top (u, c, t) và down, strange và bottom (d, s, b). Các thành viên trong cùng một họ sẽ có cùng tính chất nhưng khác nhau về khối lượng. Và tất cả các quark này đều “giao tiếp” với nhau thông qua lực hạt nhân mạnh.

Các loại vật chất thông thường mà chúng ta đã biết bao gồm hai loại quark: quark up (𝑞 = +2/3) và quark down (𝑞 = −1/3). Các quark nặng hơn thường không ổn định và sẽ nhanh chóng bị phân rã thành các quark nhẹ hơn thông qua lực hạt nhân yếu. 

Các quark liên kết với nhau bởi lực hạt nhân mạnh thành nhóm hai hoặc ba quark được gọi là hadron. Hadron có hai quark được gọi là meson và hadron có ba quark được gọi là baryon. Các ví dụ điển hình nhất về meson đó chính là pion và kaon còn baryon đó chính là các proton và neutron vốn quá đỗi quen thuộc với chúng ta. Chẳng hạn, một proton sẽ có hai quark up và một quark down (P = u⁢u⁢d, 𝑞 = +1) và một neutron gồm một quark up và hai quark down (N = u⁢d⁢d, 𝑞 = 0)

Tiếp theo, hai hàng dưới cùng trong hình (màu xanh lá cây) chứa sáu lepton được chia thành hai nhóm hạt chính: Nhóm đầu tiên đó chính là electron, muon và tau (𝑒,𝜇,𝜏) cùng với nhóm thứ hai bao gồm electron neutrino, muon neutrino và tau neutrino (𝜐𝑒, 𝜐𝜇, 𝜐𝜏).

Nhóm hạt này có các đặc điểm chính như sau:

• Muon nặng hơn electron gấp 200 lần nhưng các đặc tính khác thì tương tự electron. 
• Tau nặng hơn electron khoảng 3500 lần nhưng các đặc tính khác thì tương tự như muon và electron. 
• Sau khi được tạo ra, muon và tau nhanh chóng phân rã thành các hạt nhẹ hơn thông qua lực hạt nhân yếu.

Cuối cùng chính là các boson (cột màu đỏ trong hình) đóng vai trò là các hạt truyền lực của fermion. Trong mô hình này, lepton và quark tương tác với nhau bằng cách cho và nhận các “hạt” boson. 

• Ví dụ, lực Coulomb xảy ra khi hai hạt mang điện tích dương tiến hành “trao đổi” photon – hạt được cho là “mang theo” lực giữa các hạt mang điện tích.
• Tương tự, lực hút giữa hai quark trong hạt nhân nguyên tử xảy ra khi hai hạt này trao đổi gluon.
• Một ví dụ khác đó chính là hạt boson W và Z – hai hạt mang theo lực hạt nhân yếu.

Tuy nhiên, trong mô hình này có một hạt rất đặc biệt – đó chính là Boson Higgs. Khi nó tương tác với các hạt khác, nó không truyền lực mà truyền khối lượng cho các hạt khác. Nói theo cách đơn giản hơn, nhờ có hạt Higgs mà tất cả các dạng vật chất trong vũ trụ này mới có cân nặng (hay khối lượng)

Dẫu vậy, những “viên đá vô cực” này vẫn chưa phải là toàn bộ câu chuyện. Để vũ trụ được vận hành một cách mượt mà và trơn tru, mọi thứ cần phải ở một trạng thái cân bằng.

4. Những “kế toán viên” bủn xỉn

Đã bao giờ bạn cảm thấy rằng cuộc đời mình chỉ đơn giản là một chuỗi những mất mát không thể bù đắp?

Bạn dành trọn thanh xuân của mình, đổ biết bao tiền bạc, công sức và những giọt nước mắt vào một người, một công ty hay tổ chức nào đó, để rồi khi họ lựa chọn ruồng bỏ bạn, bạn cảm thấy thật trống rỗng và hụt hẫng như thể một phần của bạn đã bị bốc hơi khỏi thế giới này.

Nhưng thực chất thì chẳng có gì bị mất đi cả. Vũ trụ thực chất là một kế toán trưởng vô cùng chặt chẽ, bủn xỉn và khó tính. Nó sòng phẳng đến từng con số nhỏ nhất ở cấp độ lượng tử. Cảm giác trống rỗng của bạn thực ra chỉ là một lỗi rất nhỏ trong nhận thức.

Trong thế giới hạ nguyên tử, bất kỳ một quá trình phân rã hay va chạm nào xảy ra cũng phải tuân thủ tuyệt đối theo các Định Luật Bảo Toàn Hạt (Particle Conservation Laws). Không một hạt nào được phép tự ý sinh ra hay mất đi mà không có bất kỳ sự hoán đổi nào tương đương.

Bên cạnh các định luật quen thuộc như định luật bảo toàn năng lượng hay định luật bảo toàn động lượng, thế giới của các hạt hạ nguyên tử vẫn bị kiểm soát bởi ba “kế toán viên” khác:

• Điện tích (Q): Tổng điện tích trước và sau va chạm phải là bằng nhau.
• Số lượng Baryon (B): Baryon là những hạt vật chất được làm nên từ ba quark (như proton và neutron). Mỗi baryon sẽ được tính là +1, phản baryon là –1. Các hạt vật chất khác như electron hay photon sẽ có số Baryon bằng 0. Định luật này quy định rằng tổng số baryon trước và sau khi phản ứng xảy ra phải bằng nhau.
• Số lượng Lepton (L): Lepton là những hạt vật chất chỉ chịu tác động của lực điện từ, lực hạt nhân yếu và lực hấp dẫn và không bị ảnh hưởng bởi lực hạt nhân mạnh (như electron, muon, tau và các hạt neutrino tương ứng của chúng). Định luật này quy định rằng tổng số lepton trước và sau khi phản ứng xảy ra phải bằng nhau.

Chúng ta hãy cùng nhau xem cách vũ trụ vận hành với một phương trình phân rã phổ biến nhất trong tự nhiên: Quá trình phân rã Beta của một hạt neutron đơn lẻ.

Một neutron “đơn độc”, sau khoảng 15 phút, sẽ tự động phân rã thành một proton, một electron và một hạt phản neutrino electron. Bây giờ, hãy đặt phương trình này lên “bàn cân kiểm toán” của vũ trụ:

Dẫu vậy, trong quá trình quan sát cái sở thú hỗn loạn này, người ta đã nhận ra rằng một số hạt vật chất như Kaon hay Sigma được sinh ra rất nhanh thông qua lực hạt nhân mạnh nhưng lại phân rã cực kỳ chậm thông qua lực hạt nhân yếu. Điều này giống như việc bạn sa vào lưới tình chỉ trong một giây nhưng phải mất đến mười năm thì hình bóng ấy mới bắt đầu nhạt phai dần.

Để có thể giải thích được điều này, Murray Gell-Mann và Kazuhiko Nishijima đã đề xuất ra một đại lượng mới có tên là tính lạ (Strangeness). Lực hạt nhân mạnh có thể bảo toàn tính lạ này (ΔS = 0) nhưng lực hạt nhân yếu thì lại “du di” cho phép vi phạm quy tắc này một chút (ΔS = +/–1). Và thế là sự sòng phẳng và kỹ tính của vũ trụ đôi khi lại có những ngoại lệ tinh vi – những “kẽ hở pháp lý” cho phép một số hạt có thể tồn tại lâu hơn một chút trước khi bị xóa sổ.

5. Quarks và mối quan hệ tay ba độc hại

Khi lật mở sâu hơn những quy tắc “kiểm toán” này, người ta đã nhận ra rằng proton và neutron vẫn chưa phải là điểm dừng chân cuối cùng. Chúng vẫn còn có thể bị bóc tách thành những thực thể nhỏ hơn nữa.

Vậy thì những thực thể này có tên là gì?

Năm 1964, Murray Gell-Mann và George Zweig đã độc lập đề xuất một mô hình Quark. Họ cho rằng toàn bộ các baryon và meson – gọi chung là các hạt hadron – được làm nên từ hàng tá các cách kết hợp khác nhau của các hạt hạ nguyên tử, một điều chưa từng có tiền lệ. Mô hình Chuẩn (The Standard Model) hiện đại đã xác nhận có tới 6 loại quark khác nhau (flavors) : Up (u), Down (d), Charm (c), Strange (s), Top (t) và Bottom (b).

Ví dụ, một hạt proton được tạo nên từ bộ ba uud. Tổng điện tích của nó sẽ là: 

Một hạt neutron được tạo nên từ bộ ba udd sẽ có tổng điện tích là:

Mọi thứ nghe có vẻ thật đơn giản và đẹp đẽ có đúng không? Nhưng đây mới là phần điên rồ nhất:

Bạn không bao giờ, nhắc lại là KHÔNG BAO GIỜ, có thể nhìn thấy một hạt Quark đơn độc một mình ở ngoài tự nhiên.

Nhưng câu hỏi đặt ra ở đây là:

Tại sao chúng ta có thể tách electron ra khỏi nguyên tử hay có thể tách proton ra khỏi hạt nhân nhưng lại không thể tách một hạt quark ra khỏi proton?

Câu trả lời nằm ở bản chất của Lực hạt nhân mạnh. 

Đầu tiên, các hạt quark mang một loại điện tích rất đặc biệt gọi là Điện tích màu (Color Charge): Đỏ, Xanh lá và Xanh dương (cần lưu ý là những màu này không liên quan gì đến màu sắc mà mắt bạn có thể nhìn thấy. Đây chỉ đơn giản là quy ước của các nhà vật lý vốn là những người giàu trí tưởng tượng và thích những phép ẩn dụ)

Quy định của vũ trụ lúc này là mọi hạt tồn tại trong tự nhiên sẽ đều phải ở trạng thái “trung hòa về màu” – tức là màu trắng – phải bao gồm ba quark với ba màu khác nhau (Baryon) hoặc một cặp quark và phản quark mang màu và phản màu tương ứng (Meson)

Như chúng ta đã biết, lực điện từ giữa electron và proton tuân theo cơ chế nghịch đảo bình phương của định luật Coulomb: Càng kéo ra xa, lực điện từ này sẽ càng yếu đi. Nhưng lực hạt nhân mạnh giữa các quark thì lại có cơ chế hoạt động hoàn toàn đối lập: Nó hoạt động giống như một sợi dây cao su.

Khi hai hạt quark đang ở rất gần nhau, lực tương tác giữa chúng gần như bằng 0. Chúng tự do chạy nhảy bên trong không gian của proton – một hiện tượng được gọi là Tự do tiệm cận (Asymptotic Freedom) đã mang lại giải Nobel năm 2004 cho Gross, Politzer và Wilczek.

Nhưng chuyện gì xảy ra nếu như bạn sử dụng một dòng năng lượng vô cùng lớn để có thể kéo hai hạt quark ra xa nhau?

Khi khoảng cách tăng lên, trường lực gluon lúc này đã căng ra vô cùng dữ dội. Bạn càng kéo ra xa thì lực hút vào lại càng mạnh. Bạn càng đổ thêm năng lượng để cố hỷ giải phóng các hạt quark, “sợi dây cao su” lượng tử lại càng tích tụ nhiều năng lượng hơn.

Nhưng rồi, khi mọi thứ đã đạt đến giới hạn – tức là khi “sợi dây cao su” đã bị kéo căng quá mức và đứt phựt, một hiện tượng vô cùng kỳ dị đã xảy ra. Theo phương trình khét tiếng của Einstein:

Toàn bộ nguồn năng lượng khổng lồ mà bạn vừa sử dụng để kéo căng sợi dây không hề mất đi, nó đột ngột cô đặc lại và ngay lập tức biến đổi thành khối lượng: Nó nặn ngay ra một cặp quark và phản quark mới ngay tại điểm bùng phát! Kết quả là, thay vì có được một hạt quark tự do, bạn kết thúc bằng việc có thêm hai hạt mới (hadron) trung hòa về màu. Bạn vừa tạo ra một vòng lặp giam cầm mới.

Hiện tượng giam hãm này khá giống với những mối quan hệ độc hại trong đời thực. Bạn và người yêu cũ giống như hai hạt quark bị khóa chặt bởi lực hạt nhân mạnh của những thói quen và cảm xúc. Khi ở cạnh nhau, hai bạn đã trải qua sự “tự do tiệm cận” – thờ ơ, lạnh nhạt và thầm nghĩ không có nhau cũng chẳng sao. 

Nhưng cứ hễ một bên quyết định dứt áo ra đi hay cố gắng kéo giãn khoảng cách thì cảm xúc và nỗi nhớ bắt đầu căng ra giống như sợi dây cao su gluon. Bạn càng cố vùng vẫy, càng dùng nhiều năng lượng để ép mình phải quên đi thì chính nguồn năng lượng tiêu cực đó lại tự cô đặc lại bên trong tâm trí và nặn ra một đống ảo tưởng mới về đối phương. Khi sợi dây bị đứt, bạn tưởng mình đã tự do nhưng thực chất bạn lại vô tình tạo ra một chuỗi ràng buộc mới trong tâm lý, tiếp tục giam cầm bản thân vào những bóng ma vất vưởng đến từ quá khứ.

Vậy thì làm thế nào mà chúng ta có thể cắt đứt được những sợi dây cao su này?

6. Nghi lễ “gọi hồn” có giá 10 tỷ USD

Để có thể cắt đứt được những sợi dây khó chịu và “dai nhanh nhách” này, người ta không thể chỉ đơn giản là ngồi xuống và cầu nguyện – chúng ta cần phải làm một điều gì đó thực tế hơn. Và thế là một công cụ vô cùng đắt đỏ và dữ dội nhất trong lịch sử nhân loại đã ra đời: Máy gia tốc hạt lớn (LHC)

Giả dụ như bây giờ bạn muốn biết được cấu trúc bên trong của một chiếc đồng hồ cơ Thụy Sĩ vô cùng phức tạp và tinh vi, nhưng bạn chẳng có bất kỳ công cụ nào để có thể mở tung nó ra cả.

Vậy thì cách duy nhất mà bạn có thể làm là gì?

Cách thuận tiện nhất đó chính là bạn có thể lấy hai chiếc đồng hồ mới toanh, ném thật mạnh cả hai vào với nhau để rồi khi nhìn vào đống sắt vụn còn lại, chúng ta hoàn toàn có thể suy đoán được xem bên trong có gì. 

Và đây chính xác là cơ chế hoạt động của máy gia tốc hạt lớn. Tuy nhiên, quy trình thực tế lại phức tạp hơn một chút.

Máy gia tốc hạt

Vậy thì trước hết, máy gia tốc hạt là gì?

Máy gia tốc hạt là một thiết bị được thiết kế nhằm “tăng tốc” các hạt mang điện. Quá trình này thường được thực hiện bằng cách sử dụng điện trường, từ trường hoặc cả hai. 

Thế hệ máy gia tốc đầu tiên đó chính là máy gia tốc tuyến tính (linac). Các hạt mang điện được tạo ra ở đầu máy linac được tăng tốc bởi một dãy các ống tích điện liên tục. Điện áp giữa một cặp ống nhất định sẽ được sử dụng để hút hạt mang điện vào. Và khi các hạt đến nơi, điện áp giữa cặp ống tiếp theo sẽ được sử dụng để đẩy hạt mang điện ra.

Máy gia tốc thế hệ tiếp theo sau máy gia tốc tuyến tính đó chính là máy gia tốc cyclotron. Loại máy này sử dụng điện trường biến thiên và nam châm cố định để gia tốc các hạt theo quỹ đạo xoắn ốc tròn.

Một hạt ở tâm của máy gia tốc cyclotron trước tiên sẽ được tăng tốc bởi điện trường nằm trong khe hở giữa hai nam châm hình chữ D. Khi hạt vật chất đi qua khu vực này, quỹ đạo di chuyển của nó sẽ bị bẻ cong thành một quỹ đạo hình tròn. Giả sử không có sự mất mát năng lượng nào xảy ra, động lượng của hạt này sẽ được xác định như sau:

Trong đó 

• p là động lượng – tính bằng GeV/ c² 
• B là từ trường – tính bằng tesla
• r là bán kính quỹ đạo – tính bằng mét.

Quỹ đạo tròn này sau đó sẽ đưa hạt trở lại khe hở điện trường – điện trường sẽ bị đảo chiều và quá trình này sẽ được tiếp tục. Khi hạt ngày càng di chuyển với tốc độ lớn hơn, bán kính của nó ngày càng mở rộng và quỹ đạo di chuyển của nó sẽ bắt đầu xoắn ốc và hướng ra ngoài để rời khỏi thiết bị.

Cuối cùng đó chính là máy gia tốc đồng bộ (synchrotron) – một máy gia tốc hình tròn sử dụng điện áp xoay chiều và cường độ từ trường tăng dần để tăng tốc các hạt lên mức năng lượng cao hơn. Các hạt mang điện được gia tốc bởi các khoang cộng hưởng tần số vô tuyến (RF) được đồng bộ hóa để tạo ra “lực đẩy” cho các hạt khi chúng đi qua và được điều hướng bởi các nam châm. Do việc điều hướng các hạt năng lượng cao đòi hỏi một từ trường rất mạnh nên người ta thường sử dụng nam châm siêu dẫn để giảm thiểu tổn thất nhiệt.

Khi các hạt mang điện chuyển động trên một quỹ đạo tròn, chúng sẽ phát ra rất nhiều năng lượng. Đối với máy gia tốc đồng bộ, dòng năng lượng này được gọi là bức xạ đồng bộ.

Tại LHC, các electron sẽ được tách ra khỏi các nguyên tử hydro để tạo ra proton. Sau đó, các proton này sẽ đi vào LINAC2 – một cỗ máy giúp bắn các chùm proton vào một máy gia tốc được gọi là PS Booster.

Những thiết bị này thường sử dụng các khoang tần số vô tuyến (RF) như chúng ta đã đề cập ở trên nhằm thúc đẩy các chùm proton đạt được tốc độ cao hơn cùng với các cuộn nam châm khổng lồ giúp tạo ra các từ trường cần thiết để có thể “điều hướng” các chùm proton. Để dễ hiểu hơn, hãy hình dung các khoang tần số vô tuyến giống như một cái bàn đạp ga và các cuộn nam châm như một chiếc vô lăng bên trong một chiếc xe ô tô vậy.

Và khi chùm proton đã đạt được đến mức năng lượng thích hợp, PS Booster sẽ tiến hành bơm nó vào một máy gia tốc khác có tên là Siêu Proton Đồng bộ (SPS). 

Đến thời điểm này, các chùm tia đã được chia thành 2.808 bó trên mỗi chùm tia với mỗi bó chứa 1,1 x 10¹¹ proton. Và SPS sau đó sẽ bơm các chùm tia này vào LHC với một chùm tia sẽ di chuyển theo cùng chiều kim đồng hồ và chùm tia còn lại sẽ di chuyển ngược chiều kim đồng hồ.

Nhưng tại sao chúng ta lại cần phải tăng tốc các hạt? Vận tốc điên rồ này được sử dụng để làm gì?

Theo định luật khối lượng – năng lượng của Einstein (E = mc²), năng lượng được tạo ra khi các hạt xảy ra va chạm sẽ được chuyển hóa trực tiếp thành khối lượng. Tuy nhiên, để có làm cho một hạt hạ nguyên tử “tự dưng” xuất hiện từ hư không, năng lượng tạo ra phải là rất rất lớn.

Vậy thì làm thế nào mà các hạt này có thể “tự nhiên” xuất hiện từ hư không?

Máy va chạm chùm tia

Để giải quyết được vấn đề này, người ta sẽ sử dụng đến máy va chạm chùm tia. Trước tiên, thiết bị này sẽ tạo ra hai chùm tia di chuyển ngược chiều nhau trong một cái máy gia tốc hình tròn, lưu trữ các chùm tia ở mức năng lượng không đổi, và sau đó sẽ tiến hành cho chúng va chạm với nhau tại thời điểm thích hợp.

Một ví dụ thực tế nhất về công nghệ này đó chính là Vòng lưu trữ electron Cornell, toạ lạc ở Ithaca, New York.

Tại đây, các chùm tia electron (e−) và positron (e+) sẽ được tạo ra ở máy gia tốc tuyến tính và được tăng tốc lên đến 150 MeV (một triệu electron volt). Sau đó, các hạt được đưa vào máy gia tốc đồng bộ ở bên trong, nơi chúng sẽ được tăng tốc đến tới 4,5 đến 6 GeV (một tỷ electron volt) bằng cách sử dụng các khoang RF. 

Khi các chùm tia này đã đạt đến tốc độ cần thiết, chúng sẽ được vận chuyển đến một vòng lưu trữ ở bên ngoài. Hai chùm tia sẽ di chuyển ngược chiều nhau trong một môi trường chân không nhưng cả hai sẽ bị “biệt giam” cho đến khi người ta cần chúng va chạm với nhau. Thường thì các electron và positron sẽ quay quanh máy 390.000 lần mỗi giây!

Khi một electron và một positron đập vào nhau, chúng sẽ triệt tiêu lẫn nhau để tạo ra một photon tồn tại trong một khoảng thời gian rất ngắn. Photon này sẽ tạo ra một cặp lepton (có thể là electron – positron, muon – phản muon hoặc tau – phản tau). Nếu photon này tạo ra quark, các meson sẽ được hình thành, chẳng hạn như c⁢c hoặc bb. Dẫu vậy, các meson được tạo ra theo cách này lại rất không ổn định và sẽ nhanh chóng phân rã thành các hạt nhẹ hơn, chẳng hạn như electron, proton và photon.

Theo thời gian, các máy va chạm chùm tia ngày càng trở nên mạnh mẽ hơn. Và máy gia tốc hạt lớn (LHC) hiện chính là thiết bị lớn nhất trên thế giới – nơi chúng có thể “đập phá” các proton với năng lượng chùm tia vượt quá 6 TeV. 

Nhưng để có thể hiểu rõ hơn về quy mô của mức năng lượng này, chúng ta cần phải đề cập đến khái niệm năng lượng khối tâm (W) – tức là tổng năng lượng sẵn có để tạo ra các hạt mới trong máy gia tốc khi một vụ va chạm xảy ra và được xác định bằng công thức:

Trong đó:

• E₁ và E₂ là tổng năng lượng của các hạt tới
• p₁ và p₂ là động lượng của chúng
• m₁ và m₂ là khối lượng nghỉ của chúng.

Nhưng khi năng lượng của chùm tia càng cao thì máy gia tốc sẽ phải ngày càng “phình to” ra. Vì vậy, các máy gia tốc ngày nay là rất rất lớn. 

Chẳng hạn, LHC là một đường hầm hình tròn có chu vi rơi vào khoảng 27km được lắp đặt ở độ sâu 100m bên dưới lòng đất. Bên trong, các hạt hạ nguyên tử di chuyển theo hai hướng ngược nhau trong hai ống chân không riêng biệt – một môi trường gần như là trống rỗng như không gian vũ trụ để các proton không vô tình va chạm với các nguyên tử đi lạc nào đó. 

Bên cạnh đó, hàng ngàn nam châm điện siêu dẫn được làm lạnh xuống còn – 271,3°C – lạnh hơn cả không gian vũ trụ – với nhiều chủng loại và kích cỡ khác nhau được sử dụng để điều hướng quỹ đạo của các chùm tia với 1232 nam châm lưỡng cực có chức năng bẻ cong các chùm tia và 392 nam châm tứ cực có chức năng hội tụ các chùm tia. 

Ngay trước khi va chạm, một loại nam châm khác được sử dụng để “ép” các hạt lại gần nhau hơn nhằm gia tăng khả năng va chạm – một nỗ lực giống như việc bắn hai chiếc kim cách nhau 10km với độ chính xác cao đến mức chúng phải gặp được nhau ở giữa.

Dẫu vậy, một phiên bản “to lớn” hơn của LHC đang được thiết kế để có thể đem lại dòng năng lượng còn lớn hơn nữa trong tương lai. Thậm chí, vào những năm 1940, Enrico Fermi đã hình dung ra một chiếc máy gia tốc bao quanh toàn bộ Trái Đất!

Máy dò hạt

Vậy thì sau các vụ va chạm dữ dội này, người ta sẽ tiến hành thu thập kết quả như thế nào?

Lúc này, những chiếc máy dò hạt bắt đầu phát huy tác dụng của nó. Mục đích của thiết bị này là chúng được sử dụng để đo lường chính xác kết quả của các vụ va chạm được tạo ra bởi máy gia tốc hạt. 

Tại đây, một tổ hợp máy dò sẽ được chia thành nhiều máy dò phụ, mỗi máy được thiết kế để tiến hành đo lường chỉ riêng một khía cạnh của sự kiện va chạm. Ví dụ, một máy dò có thể được thiết kế chỉ để đo đạc photon và một máy dò khác có thể được thiết kế chỉ để đo đạc muon. 

Trong LHC, tại bốn điểm dọc theo vòng tròn, đường đi của hai chùm tia giao nhau sẽ buộc chúng phải va chạm trực diện. Tại các vị trí này, sẽ có khoảng 600 triệu proton va chạm mỗi giây.

Khi các hạt hạ nguyên tử va chạm, động năng khổng lồ của chúng sẽ được chuyển hóa trực tiếp thành các hạt mới – những hạt có khối lượng nặng hơn rất nhiều. Và các máy dò khổng lồ như ALICE, ATLAS hay CMS sẽ tiến hành “chụp lại” các mảnh vụn đến từ những vụ va chạm này để chúng ta có thể phân tích và suy đoán các hạt vật chất vừa mới được hình thành – một công việc đòi hỏi rất nhiều phân tích và suy luận giống như việc một thám tử đang tiến hành xem xét hiện trường vụ án vậy.

Để có thể minh họa được cơ chế hoạt động của các máy dò này, chúng ta sẽ tiến hành phân tích hệ thống máy dò Muon Solenoid nhỏ gọn (CMS) được sử dụng để phát hiện ra Boson Higgs tại LHC.

Mặc dù nặng tới hơn 14.000 tấn nhưng thiết bị này vẫn được coi là khá “nhỏ gọn” so với lượng thiết bị khổng lồ chứa bên trong nó – tất cả đều được xây dựng xung quanh một cuộn nam châm siêu dẫn khổng lồ có khả năng tạo ra từ trường lên đến 4 Tesla (mạnh gấp 100.000 lần từ trường Trái Đất) giúp nhận diện, theo dõi và đo lường các hạt muon.

Đầu tiên, ống dẫn chùm tia của máy dò sẽ nằm ở phía bên trái của trang giấy. Lúc này, các hạt được tạo ra từ vụ va chạm sẽ bắt đầu thoát ra theo mọi hướng và gặp phải rất nhiều lớp máy dò phụ – một loại máy dò hạt nằm trong một hệ thống máy dò lớn hơn được thiết kế để phân tích và đo lường một loại hạt nhất định nào đó – trong trường hợp này là muon. 

Một số loại máy dò phụ điển hình có thể kể đến bao gồm thiết bị xác định đường đi (hay động lượng) của một hạt; thiết bị đo nhiệt lượng (hay năng lượng) của một hạt và thiết bị nhận dạng giúp xác định danh tính (hay khối lượng) của một hạt.

Bộ phận đầu tiên mà các hạt gặp phải đó chính là hệ thống theo dõi silicon – một hệ thống được sử dụng để đo lường động lượng của các hạt mang điện như electron và proton. Máy dò này được đặt trong một từ trường đều, do đó các hạt mang điện sẽ bị bẻ cong theo quỹ đạo tròn giống như máy gia tốc cyclotron. 

Nếu động lượng của hạt ngày càng lớn, bán kính quỹ đạo của nó sẽ tăng lên và cung đường di chuyển của nó sẽ gần như là “thẳng thớm”. Nhưng nếu động lượng của hạt lại ngày càng nhỏ, bán kính quỹ đạo của nó sẽ giảm dần nhỏ và cung đường di chuyển của nó sẽ bị “cong”

Khi các hạt di chuyển qua máy dò, chúng sẽ tương tác với các máy dò vi dải silicon (SSD) tại rất nhiều điểm. Các máy dò này sẽ tạo ra các tín hiệu điện nhỏ khi các hạt mang điện đi qua các phần tử của máy dò. Các tín hiệu này sau đó sẽ được khuếch đại và ghi lại, được thể hiện bằng các đường màu xanh lam và xanh lục. Một “đường khớp tốt nhất” do máy tính tạo ra cho quỹ đạo này sẽ cho chúng ta biết được quỹ đạo di chuyển và do đó là động lượng của hạt.

Tại LHC, một số lượng lớn các cung đường đã được ghi lại trong cùng một sự kiện va chạm, được thể hiện bằng các đường màu xanh lam và xanh lục.

Phía sau các lớp theo dõi đó chính là bộ đo nhiệt lượng. Thiết bị này được làm từ các tinh thể trong suốt và có gốc chì. Khi các electron tương tác với tinh thể, chúng sẽ phát ra các photon có năng lượng cao. Các photon này sau đó sẽ tương tác với các tinh thể để tạo ra các cặp electron – positron. Sau đó, các hạt này lại phát ra nhiều photon hơn. Quá trình này sẽ được lặp đi lặp lại, từ đó sẽ khiến cho tinh thể “phát sáng”.

Đầu tiên, khi một electron có năng lượng E₀ khi tiến hành va chạm với tinh thể, nó sẽ mất đi một nửa năng lượng dưới dạng photon. Photon này sau đó sẽ tạo ra một cặp electron – positron với mỗi hạt mang theo một nửa năng lượng của photon. Trong khi đó, electron ban đầu lại phát xạ. Do đó, chúng ta sẽ có cho mình bốn hạt: 2 electron, 1 positron và 1 photon, mỗi hạt mang theo mức năng lượng là E₀/4.

Số lượng hạt lúc này sẽ tăng dần theo cấp số nhân (N=2ⁿ). Do đó, tổng năng lượng của mỗi hạt sau n sự kiện bức xạ là:

Trong đó E₀ là năng lượng tới và E (t) là lượng năng lượng của mỗi hạt sau n sự kiện. Và nếu năng lượng trên mỗi hạt giảm xuống dưới một giá trị nhất định, các quá trình bức xạ khác sẽ bắt đầu chiếm ưu thế và quá trình phát xạ hạt sẽ chấm dứt. Cuối cùng, tổng năng lượng của hạt tới sẽ được hấp thụ và được chuyển đổi thành tín hiệu điện.

Không dừng lại ở đây, phía sau bộ đo nhiệt lượng tinh thể chính là bộ đo nhiệt lượng hạt hadron. Như tên gọi của nó, bộ phận này sẽ tiến hành đo lường các hạt hadron như proton và pion. Thiết bị này bao gồm các lớp đồng thau và thép được ngăn cách bởi các chất phát quang bằng nhựa. Mục đích của nó là hấp thụ năng lượng của các hạt và chuyển đổi nó thành tín hiệu điện tử. Và phía sau bộ dò này là một cuộn dây từ rất lớn được sử dụng để tạo ra một từ trường đồng nhất.

Và bộ phận cuối cùng đó chính là bộ dò muon, bao gồm các tấm sắt mà chỉ có muon (và neutrino) mới có thể xuyên qua. Giữa các tấm sắt là rất nhiều loại phần tử được dùng để theo dõi muon giúp người ta có thể đo đạc chính xác động lượng của chúng. 

Sau tất cả các dữ liệu đến từ mỗi bộ dò đã được thu thập đầy đủ, toàn bộ sự kiện va chạm có thể được nhìn nhận và đánh giá một cách đầy đủ nhất. Tại đây, năng lượng của hạt thứ i sẽ tính toán bởi công thức sau:

Với p_i là động lượng tuyệt đối của hạt thứ i và m_i là khối lượng nghỉ của nó.

Do đó, tổng năng lượng của tất cả các hạt là:

Nếu tất cả các hạt được phát hiện, tổng năng lượng này sẽ bằng năng lượng khối tâm bên trong máy gia tốc khi xảy ra vụ va chạm (W). 

Trên thực tế, không phải tất cả các hạt đều được xác định hoặc vì những hạt này quá khó phát hiện (chẳng hạn như neutrino) hoặc vì những hạt này đã bị “lọt qua”. Tuy nhiên, về cơ bản, toàn bộ chuỗi phân rã hoàn toàn có thể được “tái tạo” lại giống như việc lắp ráp lại một chiếc đồng hồ đã bị vỡ thành nhiều mảnh.

Nhưng rốt cuộc thì việc đập phá các hạt hạ nguyên tử này có tác dụng gì?

7. Một mô hình “chuẩn chỉ” của vũ trụ

Đương nhiên thì không phải tự nhiên mà chúng ta lại chi ra hơn 10 tỷ USD chỉ để đập phá các hạt cho vui. Sau hàng tá các vụ va chạm vô cùng dữ dội và khắc nghiệt, chúng ta đã hiểu được rất nhiều điều. Và một trong số đó chính là Mô hình chuẩn.

Vậy thì Mô hình chuẩn là gì?

Về cơ bản, mô hình này là một bản mô tả tốt nhất về sự tương tác giữa các hạt hạ nguyên tử với nhau cùng với 3 trên 4 lực cơ bản trong tự nhiên – lực điện từ, lực hạt nhân yếu và lực hạt nhân mạnh đóng vai trò là trung gian. 

Trong Mô hình Chuẩn, tương tác giữa các hạt xảy ra thông qua việc trao đổi các boson – hay còn gọi là “các hạt truyền lực”.

• Ví dụ, lực tĩnh điện được truyền giữa hai hạt mang điện tích dương bằng cách cho và nhận các photon không khối lượng. Và kết quả của những tương tác này đó chính là lực đẩy (hoặc lực hút) Coulomb. 
• Tương tự, các quark liên kết với nhau thông qua việc trao đổi các gluon không khối lượng. 
• Các lepton tán xạ với các lepton khác (hoặc phân rã thành các hạt nhẹ hơn) thông qua việc trao đổi các boson W và Z có khối lượng.

Mô hình Chuẩn có thể được biểu diễn bằng các phương trình rất đỗi phức tạp. Tuy nhiên, để đơn giản hoá vấn đề, chúng ta vẫn có thể sử dụng một công cụ khác có tên là sơ đồ Feynman – một sơ đồ không – thời gian nhằm mô tả cách các hạt chuyển động và tương tác.

Ví dụ, hãy xem xét sự tán xạ của một electron và một electron neutrino.

Electron di chuyển sang phía bên phải của trục x và va chạm với một electron neutrino đang di chuyển sang trái. Electron sau đó sẽ phát ra một boson Z (có điện tích bằng không) rồi tán xạ sang trái trong khi neutrino sẽ hấp thụ hạt boson Z này và tán xạ sang phải. Và quá trình “mua bán” này được cho là xảy ra thông qua lực hạt nhân yếu. 

Nhìn chung thì mô hình chuẩn có trong mình hai lý thuyết chính – đó chính là lý thuyết điện yếu và sắc động lực học lượng tử (QCD), trong đó lý thuyết điện yếu đã thống nhất lý thuyết điện động lực học lượng tử (QED) và lý thuyết lực hạt nhân yếu.

Thuyết điện động lực học lượng tử (QED)

Đầu tiên chúng ta hãy cùng tìm hiểu về thuyết điện động lực học lượng tử (QED). Theo QED, lực điện từ được truyền giữa các hạt mang điện thông qua việc trao đổi các photon.

Lý thuyết này dựa trên ba quá trình cơ bản: Một electron đang di chuyển sẽ phát ra hoặc hấp thụ một photon rồi lại tiếp tục di chuyển trong không gian. 

Khi hai electron tương tác, một electron sẽ phát ra một photon và electron kia sẽ hấp thụ nó. Photon từ đó sẽ truyền năng lượng và động lượng từ electron này sang electron khác với kết quả cuối cùng đó chính là một lực đẩy. Trong trường hợp này, photon được trao đổi chính là một hạt ảo – một hạt tồn tại trong thời gian quá ngắn để có thể quan sát được.

Lực hạt nhân yếu

Tiếp theo đó chính là lực hạt nhân yếu – một lực chịu trách nhiệm cho sự phân rã phóng xạ. Phạm vi tác dụng của lực hạt nhân yếu rất ngắn – chỉ khoảng 10⁻¹⁸ m. Và giống như các lực khác trong Mô hình Chuẩn, lực hạt nhân yếu có thể được mô tả bằng quá trình trao đổi một trong ba các hạt boson sau: W+,W− và Z⁰

Bên cạnh vai trò thúc đẩy quá trình phân rã phóng xạ, lực hạt nhân yếu còn đóng một vai trò rất quan trọng trong quá trình tán xạ và phân rã của các hạt không ổn định thành các hạt ổn định hơn. 

Ví dụ, neutron có thể bị phân rã thành proton thông qua lực hạt nhân yếu – một quá trình được gọi là phân rã beta:

Trong quá trình này, neutron đã phát ra một W⁻ và trở thành một proton, sau đó boson W⁻ sẽ tạo ra một electron và một phản neutrino – một quá trình tương tự như sự kiện tán xạ.

Tương tự, một quá trình ngược lại cũng có thể xảy ra

Trong quá trình này, một proton sẽ phát ra một boson W⁺ và được chuyển đổi thành một neutron. Boson W⁺ sau đó sẽ kết hợp với electron để tạo thành neutrino.

Sắc động lực học lượng tử (QCD)

Cuối cùng đó chính là lực hạt nhân mạnh cùng với mô hình sắc động lực học lượng tử (QCD) giúp mô tả những tương tác giữa các quark. Theo lý thuyết này, các quark liên kết với nhau bằng cách cho và nhận gluon. 

Cũng giống như các quark mang điện tích (+2/3)⁢𝑒 hoặc(−1/3)⁢𝑒 nhằm quyết định độ mạnh của các tương tác điện từ giữa các quark, những hạt hạ nguyên tử này còn mang theo “điện tích màu” (đỏ, xanh lam hoặc xanh lục) đóng vai trò quyết định tới sức mạnh của lực hạt nhân mạnh. 

Như đã thảo luận trước đó, các quark thường xuyên liên kết với nhau thành từng nhóm theo các tổ hợp trung tính về màu sắc (tức là màu trắng), chẳng hạn như đỏ – xanh lam – xanh lục hay đỏ – phản đỏ.

Một điều thú vị khác đó chính là bản thân các gluon cũng mang theo điện tích màu. Trong tám loại gluon đã biết thì có tới sáu loại mang theo một màu và phản màu cùng với hai loại trung tính về màu sắc

Để có thể minh họa sự tương tác giữa các quark thông qua việc trao đổi các gluon mang điện tích, hãy xem xét sơ đồ Feynman ở bên trên. Theo thời gian (t), một quark down màu đỏ ăz di chuyển sang phải và một quark strange màu xanh lá cây sẽ di chuyển sang trái. Quark down sau đó sẽ trao đổi một gluon màu đỏ – phản xanh lá cây với quark strange. Theo QCD, tất cả các tương tác trong quá trình này phải trung tính về màu sắc. Do đó, quark down biến đổi từ màu đỏ sang màu xanh lá cây và quark strange biến đổi từ màu xanh lá cây sang màu đỏ.

Như chúng ta đã thấy, sự tương tác giữa các quark trong hạt nhân nguyên tử có thể trở nên rất phức tạp. Sơ đồ bên dưới đã minh họa sự tương tác giữa một proton và một neutron với một proton đã được chuyển hóa thành neutron và một neutron đã được chuyển hóa thành proton trong quá trình tương tác.

Trên thực tế thì việc đưa ra dự đoán dựa trên mô hình QCD là rất khó khăn và thường được thực hiện với sự hỗ trợ của siêu máy tính.

8. Vậy thì mục đích cuối cùng là gì? 

Đến đây thì chúng ta đã hiểu rõ hơn phần nào về các hạt hạ nguyên tử cũng như cách thức hoạt động của chúng – một trong những thực thể nhỏ nhất mà chúng ta có thể nghiên cứu. Bây giờ, chúng ta sẽ tiến hành xem xét những gì chúng ta biết về vũ trụ này – thực thể lớn nhất mà chúng ta có thể nghiên cứu (và chúng ta cũng đang sống trong nó).

Vậy thì mối liên hệ giữa hai thứ tưởng chừng như là đối lập hoàn toàn với nhau này là gì?

Như chúng ta đã biết, việc nghiên cứu quá trình tương tác giữa các hạt đòi hỏi một nguồn năng lượng rất cao. Và nguồn năng lượng cao nhất từng được biết đến rất có thể đã tồn tại trong giai đoạn sơ khai của vũ trụ này – đó chính là Big Bang. 

Và việc liên tục đập phá các hạt hạ nguyên tử này đã giúp cho chúng ta có thể tái tạo lại các điều kiện vô cùng khắc nghiệt và dữ dội của vũ trụ trong khoảng thời gian rất rất rất ngắn sau khi nó bắt đầu được hình thành. 

Một số nhà vật lý thậm chí còn đã đề xuất rằng, tại thời điểm đó, bốn lực cơ bản trong tự nhiên ngày nay ắt hẳn đã từng kết hợp lại thành một lực duy nhất và chi phối mọi hành vi của vật chất và năng lượng trong những khoảnh khắc đầu tiên này.

Vậy thì vũ trụ lúc đó đã hiện lên như thế nào? Bạn có thể tìm hiểu ngay tại bài viết này.