Phân tích hợp tác cải thiện sự hiểu biết lý thuyết về sự phân tách siêu mịn trong hydro
Tác giả: Chris Patrick, Cơ sở gia tốc quốc gia Thomas Jefferson
Một nguyên tử hydro chứa một proton đơn lẻ trong hạt nhân của nó với một electron quay quanh duy nhất. Tín dụng: Phòng thí nghiệm Jefferson của DOE
Hai cộng tác thí nghiệm, cộng tác g2p và EG4, đã kết hợp dữ liệu bổ sung của họ về cấu trúc bên trong của proton để cải thiện các phép tính về một hiện tượng trong vật lý nguyên tử được gọi là sự phân tách siêu mịn của hydro. Một nguyên tử hydro được tạo thành từ một electron quay quanh một proton.
Mức năng lượng tổng thể của hydro phụ thuộc vào hướng spin của proton và electron. Nếu một ở trên và một ở dưới, nguyên tử sẽ ở trạng thái năng lượng thấp nhất. Nhưng nếu spin của các hạt này giống nhau, mức năng lượng của nguyên tử sẽ tăng lên một lượng nhỏ hoặc siêu mịn. Những sự khác biệt sinh ra do spin này trong mức năng lượng của một nguyên tử được gọi là sự phân tách siêu mịn.
Mặc dù nhiều nhà khoa học thường hợp tác trong các thí nghiệm vật lý hạt nhân tại Cơ sở Máy gia tốc Quốc gia Thomas Jefferson của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, nhưng hiếm khi các thí nghiệm riêng lẻ của phòng thí nghiệm hợp tác với nhau. Nhưng đó chính xác là những gì g2p trong Phòng thí nghiệm A và EG4 trong Phòng thí nghiệm B của Phòng thí nghiệm Jefferson đã làm.
Hai nhóm hợp tác này đã kết hợp dữ liệu bổ sung của họ về cấu trúc bên trong của proton để cải thiện các phép tính về một hiện tượng trong vật lý nguyên tử: sự phân tách siêu mịn của hydro.
Một nguyên tử hydro, nguyên tố đơn giản nhất và phổ biến nhất trong vũ trụ, được tạo thành từ một electron quay quanh một proton. Cả hai hạt này đều có một tính chất được gọi là mômen động lượng, thường được gọi là spin, có thể định hướng "lên" hoặc "xuống".
Mức năng lượng tổng thể của hydro phụ thuộc vào định hướng spin của proton và electron. Nếu một ở trên và một ở dưới, nguyên tử sẽ ở trạng thái năng lượng thấp nhất, giống như hai nam châm lưỡng cực muốn chống lại nhau. Mặt khác, nếu spin của các hạt này giống nhau, mức năng lượng của nguyên tử sẽ tăng lên một lượng nhỏ hoặc siêu mịn. Những khác biệt sinh ra do spin trong mức năng lượng của một nguyên tử được gọi là sự phân tách siêu mịn.
Kể từ khi phát hiện ra sự phân tách siêu mịn vào những năm 1930, các nhà khoa học đã đo được sự khác biệt năng lượng này trong hydro rất chính xác. Tuy nhiên, lý thuyết vẫn chưa thể theo kịp.
"Hiểu biết lý thuyết của chúng ta về nó tệ hơn gấp triệu lần so với phép đo thực nghiệm của chúng ta về nó", David Ruth, một cộng sự sau tiến sĩ tại Đại học New Hampshire cho biết. "Nhiều thứ khác nhau góp phần vào điều đó, nhưng điều chi phối sự không chắc chắn của chúng ta trong các phép tính là thiếu hiểu biết về cấu trúc bên trong của proton".
May mắn thay, g2p và EG4 đã tình cờ thăm dò chính xác điều đó.
Lớn hơn tổng các bộ phận của chúng
Cuối cùng, sự phân tách siêu mịn trong hydro là do sự tương tác giữa proton và electron. Không giống như electron, proton không phải là một hạt cơ bản: nó được tạo thành từ các hạt nhỏ hơn gọi là quark và gluon. Do đó, các phép tính chính xác về sự phân tách siêu mịn cần bao gồm thông tin về cấu trúc bên trong của proton. Nhưng bên trong proton rất phức tạp và chưa được hiểu đầy đủ, khiến việc mô tả chỉ bằng lý thuyết trở nên khó khăn.
Các thí nghiệm g2p và EG4 đều được thiết kế để nghiên cứu cách các quark cấu thành proton tạo nên spin tổng thể của nó. Để thực hiện như vậy, các thí nghiệm này hướng chùm electron được tạo ra trong Cơ sở gia tốc chùm electron liên tục (CEBAF), một cơ sở người dùng của Văn phòng khoa học DOE, vào một mục tiêu proton phân cực—một mục tiêu gồm các proton có spin đều hướng theo cùng một hướng.
Trong g2p, mục tiêu proton được phân cực ngang hoặc các spin được định hướng vuông góc với chùm electron. Trong EG4, mục tiêu proton được phân cực dọc hoặc các spin được định hướng song song với chùm electron.
Việc phát hiện các electron của chùm, cũng được phân cực, sau khi chúng tương tác với các mục tiêu phân cực cho phép các thí nghiệm này đo các khía cạnh khác nhau của cấu trúc spin của proton.
"Chúng tôi thu thập dữ liệu này cho mục đích riêng của mình, để tìm hiểu thêm về cấu trúc bên trong của proton và kiểm tra các lý thuyết liên quan đến proton, nhưng chúng tôi đã tạo ra cùng một dữ liệu cần thiết để hiểu rõ hơn về sự phân tách siêu mịn", Alexandre Deur, một nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Jefferson, người đã làm việc trên EG4, cho biết. "Đó là một cú hích may mắn".
Trong một bài báo được công bố trên Physics Letters B, các nhà thực nghiệm từ g2p và EG4 đã áp dụng dữ liệu cấu trúc spin proton riêng biệt nhưng tương thích của họ vào các phép tính phân tách siêu mịn trong hydro.
Các tích phân đóng góp siêu mịn cho Δ1 và Δ2 trong các phương trình (5) và (6), được cân nhắc theo Q2, đối với hydro muon. Kết quả từ thí nghiệm g2p [23] được hiển thị trong các ô vuông màu xanh lam. Kết quả của thí nghiệm EG4 [24] được hiển thị trong các hình tam giác màu cam. Các thanh lỗi bên trong biểu thị sự không chắc chắn về mặt thống kê, trong khi các thanh lỗi bên ngoài biểu thị tổng bất định bao gồm lỗi hệ thống. Các đường gạch ngang màu xanh lá cây và đường gạch ngang màu lục lam lần lượt biểu diễn các mô hình Hall B và MAID hiện tượng học [25], [26]. Hệ số dạng của tích phân cho Δ1 được xây dựng bằng cách sử dụng phép khớp hệ số dạng Arrington [27]. Đường màu đỏ biểu thị sự khớp hiện tượng học mới với dữ liệu và ngoại suy thành Q2 thấp = 0 và Q2 cao, với dải màu đỏ biểu thị sự bất định của phép tính. Các kết quả tương tự nhưng có tỷ lệ khối lượng khác nhau trong hydro điện tử. Tín dụng: Physics Letters B (2024). DOI: 10.1016/j.physletb.2024.139116
Điều này cắt giảm một nửa sự bất định liên quan đến cấu trúc proton trong các phép tính phân tách siêu mịn, thúc đẩy sự hiểu biết lý thuyết về hiệu ứng này và cấu trúc nguyên tử nói chung.
"Các thí nghiệm g2p và EG4 là hai nỗ lực khổng lồ, nhưng, độc lập, không có thí nghiệm nào trong số chúng có thể trả lời câu hỏi này", Karl Slifer, giáo sư vật lý tại Đại học New Hampshire, người đã làm việc trên g2p, cho biết. "Cùng nhau, dữ liệu là sự bổ sung hoàn hảo. Bài báo này là sự chắt lọc của vô số giờ và nỗ lực của hàng trăm người".
Ngoài việc kết nối các phòng thí nghiệm của Phòng thí nghiệm Jefferson, công trình này còn kết nối các lĩnh vực.
Các nhà thực nghiệm của g2p và EG4 đã làm việc chặt chẽ với Carl Carlson, Franziska Hagelstein và Vladimir Pascalutsa, các nhà lý thuyết hạt nhân am hiểu về vật lý nguyên tử, những người đảm bảo các phép tính chính xác nhất có thể.
"Trong mỗi bước của quá trình phân tích này, chúng tôi đã có cuộc trò chuyện qua lại với các nhà lý thuyết", Ruth, người đã làm việc trên thí nghiệm g2p với tư cách là một sinh viên sau đại học, cho biết. "Tôi nghĩ kết quả này khá tuyệt vì nó là sự hợp tác trực tiếp giữa thí nghiệm và lý thuyết nhiều hơn bình thường".
Trong hơn một năm rưỡi, Ruth đã đi đầu trong việc phân tích và điều phối các cuộc họp cho công trình này.
"David đã làm rất tốt", Jian-Ping Chen, một nhà khoa học chính tại Phòng thí nghiệm Jefferson, người đã làm việc trong thí nghiệm g2p, cho biết. "Ông ấy đã tập hợp tất cả các nhà thực nghiệm và lý thuyết lại với nhau để thảo luận về công trình này. Chính nhờ sự kiên trì của ông ấy mà chúng tôi đã có được kết quả này".
Mục tiêu cuối cùng là các nhà lý thuyết trong ngành vật lý nguyên tử sử dụng những kết quả này để tính toán chính xác và đầy đủ quá trình phân tách siêu mịn của hydro từ lý thuyết.
Tương lai của muon
Những phép tính phân tách siêu mịn này cũng liên quan đến một dạng hydro kỳ lạ được gọi là hydro muon. Trong hydro muon, electron được thay thế bằng muon, nặng hơn 200 lần. Trọng lượng này kéo muon lại gần proton hơn, nơi nó nhạy cảm hơn với cấu trúc bên trong của proton.
Năm 2010, các nhà vật lý nguyên tử tại Viện Paul Scherrer (PSI) ở Thụy Sĩ đã đo bán kính của một proton trong hydro muon và phát hiện ra rằng nó nhỏ hơn so với suy nghĩ trước đây. Phát hiện bất ngờ này được mệnh danh là câu đố bán kính proton.
"Đó là một bất ngờ lớn", Deur nói. "Và điều đó xảy ra đơn giản vì họ bắt đầu chơi với hydro muon".
Một thí nghiệm sắp tới tại PSI sẽ lại thăm dò hydro muon, lần này là để cố gắng đo chính xác sự phân tách siêu mịn của nó. Kết quả phân tích mới từ g2p và EG4 sẽ giúp hướng dẫn phép đo PSI này.
Có nhiều cách để xác định bán kính proton. Phép đo trong câu đố bán kính proton là bán kính điện tích của proton. Ngoài việc thực hiện các phép tính liên quan đến sự phân tách siêu mịn, những người cộng tác của công trình này đã sử dụng dữ liệu của g2p và EG4 để tinh chỉnh giá trị bán kính Zemach của proton, là sự kết hợp giữa bán kính điện tích và bán kính từ của nó. Các phép đo trước đây và tính toán lý thuyết về loại bán kính này không thống nhất, nhưng giá trị được trích xuất đã thu hẹp khoảng cách này.
"Việc trích xuất bán kính Zemach mới này của proton giúp chúng ta hiểu rõ hơn về các kích thước vật lý của proton và cấu trúc tổng hợp lộn xộn của nó", Slifer nói.
Vẫn còn nhiều điều cần tìm hiểu về proton. Các thí nghiệm trong tương lai tại Phòng thí nghiệm Jefferson sẽ thăm dò sâu hơn cấu trúc bên trong của hạt này và Chen hy vọng chúng cũng có thể được sử dụng bên ngoài lĩnh vực vật lý hạt nhân.
"Tôi muốn các thí nghiệm trong tương lai tại Phòng thí nghiệm Jefferson có sự hợp tác rộng rãi hơn giữa các hội trường khác nhau, với các nhà lý thuyết và thậm chí với các lĩnh vực khác", Chen cho biết. "Điều quan trọng là phải đi theo tất cả các hướng này để tạo ra tác động lớn nhất có thể cho kết quả".
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
