Trong lòng Lò gia tốc hạt Lớn (LHC) – máy gia tốc hạt mạnh nhất thế giới – các nhà khoa học cuối cùng đã nhìn thấy thứ mà hàng thập kỷ qua vẫn còn lẩn tránh. Đó là "dấu vết khuếch tán" (diffusion wake) mà một quark hoặc gluon nhanh để lại khi di chuyển qua plasma quark-gluon – một "súp" siêu nóng và đậm đặc của các thành phần vật chất sơ khai, giống với trạng thái của Vũ trụ trong những vi giây đầu tiên sau Vụ Nổ Lớn.
Hãy tưởng tượng: hai hạt nhân chì được gia tốc đến tốc độ gần bằng ánh sáng và va chạm trong máy dò CMS. Tại thời điểm này, plasma quark-gluon được sinh ra – một môi trường nơi các quark và gluon (parton) tồn tại tự do, không bị giam cầm bên trong proton và neutron. Khi một parton năng lượng cao bay xuyên qua plasma này, nó sẽ mất năng lượng và động lượng, để lại một sự nhiễu loạn phía sau, tương tự như vệt sóng sau một chiếc thuyền trên mặt nước. Lý thuyết đã dự đoán hiệu ứng này cách đây hơn 20 năm, nhưng nó vẫn chưa thể được ghi nhận một cách chắc chắn trên thực nghiệm – tín hiệu quá yếu so với các quá trình khác.
Trước đây, các nhà khoa học đã tìm kiếm các dấu vết trong các sự kiện có jet (luồng hạt) và boson Z, nhưng nhiễu từ các hiệu ứng khác đã làm mờ hình ảnh. Nhóm nghiên cứu do các nhà khoa học từ Đại học Illinois tại Chicago (UIC), bao gồm Raghunath Pradhan và Olga Evdokimov, đã áp dụng một cách tiếp cận mới. Họ tập trung vào các sự kiện hai jet – khi hai jet bay ra theo các hướng gần như đối lập. Điều này cho phép tách biệt tín hiệu của dấu vết khỏi nhiễu nền tốt hơn.
Phân tích dữ liệu va chạm chì-chì ở năng lượng 5,02 TeV trên mỗi nucleon đã cho thấy một bức tranh rõ ràng: sau các jet là sự suy giảm đáng kể các hạt có động lượng thấp (trong phạm vi 1–2 GeV). Hiệu ứng này mạnh hơn trong các va chạm trung tâm, "đặc" hơn, nơi tạo ra nhiều plasma hơn. Độ tin cậy vượt quá năm độ lệch chuẩn – một ngưỡng được coi là khám phá đáng tin cậy trong vật lý hạt.
“Đây là đỉnh cao của nhiều năm tìm kiếm,” Olga Evdokimov nói. “Việc quan sát và định lượng dấu vết khuếch tán mở ra cánh cửa để đặc trưng hóa chính xác các đặc tính của plasma quark-gluon và mang lại những hiểu biết mới về sự tiến hóa của Vũ trụ sơ khai.”
Kết quả, đã được chấp nhận để xuất bản trên Physical Review Letters (bài báo HIN-25-012), không chỉ xác nhận lý thuyết. Chúng giúp hiểu rõ hơn về cách vật chất hành xử trong những khoảnh khắc đầu tiên của vũ trụ – khi các proton, neutron đầu tiên và cuối cùng là toàn bộ Vũ trụ hữu hình hình thành từ plasma này. Plasma hoạt động như một chất lỏng lý tưởng, tương tác mạnh với các hạt đi qua nó, chứ không phải là một khí loãng.
Đối với công chúng, đây là lời nhắc nhở về cách các phòng thí nghiệm trên Trái đất cho phép chúng ta nhìn vào các điều kiện không thể quan sát trực tiếp. Mỗi "dấu vết" mới được ghi nhận trong lò gia tốc lại đưa chúng ta đến gần hơn với việc hiểu làm thế nào mà vũ trụ có trật tự mà chúng ta đang tồn tại lại hình thành từ sự hỗn loạn của những khoảnh khắc đầu tiên. Và các cuộc tìm kiếm, tất nhiên, vẫn tiếp tục.
