Những vấn đề cơ bản của vật lý Pentaquark có hay không?

Một trong những sự kiện nổi bật của năm 2003 là các tuyên bố về sự phát hiện ra một loại hạt mới, gọi là pentaquark. Hạt này được gọi như vậy là do nó cấu tạo từ bốn hạt quark và một hạt phản quark (tiếng Hy Lạp pente=5). Lần đầu tiên một hạt cơ bản có cấu trúc như vậy được tìm ra. Chỉ trong một thời gian ngắn đã có hàng trăm bài báo viết về đề tài hạt pentaquark này. Tuy nhiên tới năm 2004 và 2005, các kết quả thực nghiệm mới lại không thấy dấu vết gì của hạt này. Nếu hạt này thật sự không tồn tại thì câu chuyện về pentaquark sẽ đi vào lịch sử vật lý như một lời cảnh cáo: đôi khi nếu ta rất tin vào sự tồi tại của một hạt nào đó thì ta sẽ tìm được dấu vết của hạt đó trong thực nghiệm, dù cho hạt đó thực sự không tồn tại!

Một loại hạt mới?

Phần lớn các hạt cơ bản thuộc hai loại: loại thứ nhất là các hạt meson, cấu tạo từ một hạt quark và một hạt phản quark; loại thứ hai là các hạt baryon, gồm ba hạt quark (một số các hạt cơ bản khác không cấu tạo từ quark). Ví dụ hạt proton cấu tạo từ hai hạt quark "u" và một hạt quark "d", và là một hạt baryon. Hạt nơtron cấu tạo từ hai hạt quark "d" và một hạt quark "u". Hạt kaon mang điện tích dương (hạt K+) là một hạt meson cấu tạo từ một hạt quark "u" và một hạt phản quark “s” (hình 1).

Tuy nhiên, về lý thuyết, có thể có các loại hạt khác với thành phần khác đi, miễn là số hạt quark trừ đi số hạt phản quark chia hết cho ba. Chẳng hạn, về lý thuyết có thể có các hạt cấu tạo từ bốn hạt quark và một hạt phản quark. Trong một thời gian dài người ta cố tìm những hạt như vậy, nhưng không thành công.

Năm 1997, ba nhà khoa học Nga (Diakonov, Petrov và Maxim Polyakov) tiên đoán rằng, phải tồn tại một hạt pentaquark có điện tích dương và chứa phản quark s (hình 2). Điểm đáng chú ý trong công trình của ba nhà vật lý này là họ đưa ra con số cụ thể cho khối lượng của hạt này: khoảng 1530 MeV (Để so sánh, khối lược của hạt proton là 938 MeV). Ngoài ra họ còn tính ra rằng hạt này khá bền, với thời gian sống có thể lớn hơn 10 ^-22giây (để so sánh, các hạt có tương tác mạnh thường có thời gian sống chỉ khoảng 5x10 ^-24giây).

Đầu tiên bài báo này ít được chú ý, nhưng nhóm thí nghiệm LEPS trong phòng thí nghiệm SPring-8 ở Nhật Bản quyết định tìm kiếm hạt này. Đầu năm 2003 họ tuyên bố tìm ra hạt pentaquark, có khối lượng gần như giá trị tiên đoán (khoảng 1540 MeV) và có thời gian sống khá dài. Chỉ trong vài tháng, nhiều nhóm nghiên cứu ở khắp nơi trên thế giới, trong đó có phòng thí nghiệm Jefferson ở Mỹ, ở Nga, nhóm SAPHIR ở Bonn, Đức tuyên bố rằng họ cũng tìm ra những dấu hiệu của hạt pentaquark.

Một số tuyên bố dựa trên những kết quả thực nghiệm cũ, nhưng được xử lý lại. Ví dụ nhóm SAPHIR tìm thấy dấu hiệu hạt pentaquark trong những dữ liệu thực nghiệm thu được trong hai năm 1997-1998. Hạt này được gọi là Theta+(1540).

Tới cuối năm 2003, có hơn 10 thí nghiệm tuyên bố tìm ra hạt Theta+(1540). Hạt này phân rã ra thành 1 hạt nơtron và một hạt kaon K+. Trong hầu hết các thí nghiệm, hạt Theta+ được tạo ra trong phản ứng gọi là "photoproduction", dịch sát nghĩa là "tạo ra bằng photon".   Trong những thí nghiệm này người ta hướng một chùm hạt photon vào một hạt nhân C12 hoặc hạt nhân deuterium, rồi tìm kiếm hạt Theta+(1540) trong các sản phẩm của phản ứng.

Đầu tiên thì kết quả của các thí nghiệm này có vẻ đáng tin cậy. Tuy lấy từng thí nghiệm đơn lẻ thì bằng chứng về sự tồn tại của hạt Theta+ không hoàn toàn có tính thuyết phục, nhưng với hơn 10 thí nghiệm có kết quả giống nhau, ta khó có thể dễ dàng phủ nhận sự tồn tại của hạt này. Rất nhiều các bài báo lý thuyết đã xuất hiện, tìm cách giải thích các tính chất của hạt Theta+ này. Một trong những điều khó giải thích nhất là tại sao hạt này lại bền như vậy.

Tuy nhiên trong năm 2004, một số rạn nứt bắt đầu xuất hiện. Đầu tiên là các nhà lý thuyết đặt nhiều dấu hỏi về tính toán của Diakonov và cộng sự. Theo ý kiến của nhiều người thì Diakonov và cộng sự sử dụng một phép gần đúng không hoàn toàn có cơ sở. Tiếp theo, các thí nghiệm khác nhau tìm thấy những giá trị hơi khác nhau của khối lượng hạt Theta+. Sự khác nhau không lớn nhưng vượt quá sai số thực nghiệm. Nguy hiểm hơn là một số thí nghiệm cho kết quả âm tính. Tới năm 2005, có khoảng 10 thí nghiệm cho thấy sự tồn tại của hạt Theta+, nhưng cũng có khoảng 10 thí nghiệm khác không tìm thấy dấu tích gì của hạt này.

Vậy vấn đề là ở chỗ nào? Khả năng thứ nhất là hạt Theta+ không tồn tại: vì một lý do nào đó cả 10 thí nghiệm dương tính đều sai lầm. Khả năng thứ hai là hạt Theta+ chỉ sinh ra trong 10 thí nghiệm dương tính, nhưng lại không sinh ra trong 10 thí nghiệm âm tính. Điều này cũng có thể xảy ra. Như ta đã nói ở trên, các thí nghiệm dương tính là các thí nghiệm "photoproduction". Ngược lại các thí nghiệm âm tính là các thí nghiệm trong đó chùm hạt bắn vào bia là proton hoặc kaon ("hadroproduction") hoặc là hạt electron ("electroproduction"). Có thể là cơ chế tạo ra hạt Theta+ rất đặc biệt, thành ra chỉ phản ứng photoproduction mới tạo ra nó, mà các phản ứng khác thì không. Nếu đúng như vậy thì hạt Theta+ khác tất cả các hạt có tương tác mạnh khác. Hiểu biết của chúng ta về tương tác mạnh không đủ để loại trừ khả năng này.

Để khẳng định hay phủ nhận kết quả của các thí nghiệm photoproduction, các nhà vật lý cho rằng cách tốt nhất là lặp lại các thí nghiệm này, nhưng tăng độ chính xác lên. Cuối năm 2005, phòng thí nghiệm Jefferson đã tiến hành lại thí nghiệm photoproduction, nhưng với một mẫu thống kê cao hơn các thí nghiệm trước tới 100 lần. Ngay sau thí nghiệm là khoảng thời gian vài tháng để xử lý các kết quả thực nghiệm. Vào tháng 4 năm 2006, phòng thí nghiệm Jefferson tuyên bố không tìm thấy dấu vết của hạt Theta+.

Tuy hiện nay chỉ có một số ít người còn nuôi hy vọng về sự tồn tại của hạt pentaquark, một loại hạt khác, cấu tạo từ hai hạt quark và hai hạt phản quark, có thể đã được tìm thấy trong thực nghiệm. Hạt này hiện đang mang tên X(3870) có thể cấu tạo từ một quark "c", một phản quark "c", một quark "u" và một phản quark "u". Người ta vẫn đang tiếp tục nghiên cứu hạt này.

Nguồn: Vật lý ngày nay, 8/2006, tr 1