Những “Big Bang tí hon”: tái tạo vũ trụ sơ khai trong đường hầm CERN
Các thí nghiệm tái tạo Big Bang tại máy gia tốc hạt CERN là những va chạm hạt nhân năng lượng cao giữa các hạt nhân nguyên tử được tăng tốc tới gần vận tốc ánh sáng, tạo ra những giọt plasma quark-gluon ở nhiệt độ và mật độ cực hạn, tương tự trạng thái vật chất tồn tại trong vài phần triệu giây đầu tiên của vũ trụ sau Vụ Nổ Lớn. Đây không phải là Big Bang theo nghĩa vũ trụ học, mà là phiên bản thu nhỏ, có kiểm soát, của các điều kiện vũ trụ sơm khai. Điểm đáng nói là những “Big Bang tí hon” này cho phép con người biến lịch sử xa xưa nhất của vũ trụ thành một vấn đề thí nghiệm trong phòng lab, thay vì chỉ là giả thuyết trên giấy.
Máy gia tốc hạt CERN: nơi vũ trụ sơ khai được nén vào khoảnh khắc
Tại CERN, Máy Va Chạm Hadron Lớn (LHC) tăng tốc các hạt nhân nguyên tử tới gần vận tốc ánh sáng rồi cho chúng va chạm trực diện, giải phóng năng lượng khổng lồ trong một không gian cực nhỏ. Kết quả là một “giọt” plasma quark-gluon – thứ “súp” hạt sơ khai tồn tại khoảng một phần triệu giây sau Big Bang, khi proton và neutron chưa hình thành. Vấn đề là plasma quark-gluon sống quá ngắn, nên các nhà khoa học không nhìn thấy nó trực tiếp; họ chỉ có thể đọc lại câu chuyện qua những hạt bay ra sau va chạm, bằng cách đo hướng, số lượng và tương quan giữa chúng. Theo một bài báo đăng trên Physical Review Letters, các va chạm này tạo nên tập hợp hạt “giãn nở tập thể như một chất lỏng” trước khi nguội đi và trở lại thành các hạt thông thường.
Từ chì đến ôxy và neon: ngưỡng tối thiểu để tạo plasma quark-gluon
Trong nhiều năm, giới vật lý tin rằng phải dùng các hạt nhân rất nặng, như chì, mới đủ để tạo plasma quark-gluon trong va chạm. Điều đó có lý: càng nhiều hạt tham gia, hệ va chạm càng “to”, càng dễ hình thành một giọt vật chất tập thể. Nhưng thí nghiệm mới với ôxy-16 và neon-20 tại ALICE đã thách thức trực giác này. Dù nhẹ hơn nhiều so với chì, những hạt nhân này vẫn tạo ra tín hiệu cho thấy vật chất sau va chạm hành xử như một chất lỏng QGP thu nhỏ. Điểm thú vị là hình dạng hạt nhân để lại “dấu vân tay” trong chuyển động của các hạt sau va chạm: ôxy khá tròn, còn neon-20 được dự đoán là kéo dài, khiến sự giãn nở của giọt plasma khác nhau rõ rệt. Điều đó cho thấy cấu trúc hạt nhân – không chỉ khối lượng – cũng quyết định việc có tạo được trạng thái vật chất ngoạiotic hay không.
Điều kiện vũ trụ sơm khai qua lăng kính những vụ va chạm hạt nhân
Trong vũ trụ cực kỳ trẻ, quark và gluon tồn tại gần như tự do trong plasma quark-gluon, trước khi sự giãn nở và nguội đi buộc chúng kết lại thành proton, neutron rồi hạt nhân. Khi CERN tái tạo Big Bang ở quy mô vi mô, các nhà khoa học đang “phóng to” vài phần triệu giây đầu tiên ấy để đo những đại lượng vốn không thể quan sát trực tiếp trong vũ trụ thực. Mỗi giọt QGP là một phòng thí nghiệm về lực mạnh – lực liên kết các hạt trong hạt nhân – và về cách vật chất chuyển pha giữa trạng thái plasma và trạng thái hạt liên kết. Đồng thời, những thí nghiệm này giúp kiểm tra mô hình vũ trụ học: nếu QGP trong máy gia tốc hạt CERN không giãn nở và nguội đi giống như dự đoán, thì câu chuyện chúng ta kể về nguồn gốc vật chất trong vũ trụ cần phải viết lại.
Tại sao “Big Bang tí hon” ở CERN đáng để nhân loại đầu tư?
Nhóm nghiên cứu Niels Bohr và cộng tác viên tại ALICE đang tiếp tục thu nhỏ hệ va chạm, hướng tới cả hạt nhân nhẹ như heli-4 để tìm ngưỡng tối thiểu về khối lượng và năng lượng nhằm tạo ra một giọt plasma quark-gluon. Nếu xác định được ngưỡng này, vật lý hạt nhân không chỉ biết rõ hơn cấu trúc hạt nhân, mà còn có thêm một “phòng thí nghiệm” mô phỏng những điều kiện vũ trụ sơm khai, khi vũ trụ mới chỉ vài phần triệu giây tuổi. Về bản chất, đây là nỗ lực trả lời câu hỏi rất người: từ đâu mà ra mọi thứ quanh ta? Những Big Bang tí hon ở CERN không cho ta hình ảnh lãng mạn về khởi sinh vũ trụ, nhưng chúng cung cấp dữ liệu định lượng về cách vật chất chuyển từ trạng thái nguyên sơ sang thế giới của sao, hành tinh và cơ thể chúng ta. Đó là lý do những va chạm vô hình trong LHC mang ý nghĩa rất hữu hình đối với tri thức nhân loại.
