Tương tác mạnh (Strong interaction/Strong force)

Cơ chế hoạt động

Tương tác mạnh được truyền bởi các hạt gọi là gluon. Gluon, tương tự như photon trong lực điện từ, là các boson gauge không khối lượng. Tuy nhiên, không giống như photon không mang điện tích, gluon mang “màu” – một loại điện tích tương tự điện tích trong lực điện từ nhưng phức tạp hơn. “Màu” này không liên quan gì đến màu sắc mà chúng ta nhìn thấy, mà chỉ là một thuật ngữ được sử dụng để mô tả tính chất của tương tác mạnh. Có ba loại “màu”: đỏ, xanh lam và xanh lá cây, và ba “phản màu” tương ứng. Quark luôn tồn tại ở trạng thái có “màu”, trong khi các hadron (như proton và neutron) luôn ở trạng thái “không màu” hay “trắng”. Trạng thái trắng này đạt được bằng cách kết hợp ba quark với ba màu khác nhau (đỏ, xanh lam, xanh lá cây), hoặc một quark và một phản quark với màu và phản màu tương ứng (ví dụ: đỏ và phản đỏ).

Các tính chất chính của tương tác mạnh

• Phạm vi tác dụng cực ngắn: Tương tác mạnh chỉ có tác dụng ở khoảng cách rất ngắn, cỡ $10^{-15}$ mét (đường kính của hạt nhân nguyên tử). Ở khoảng cách lớn hơn, lực này giảm nhanh chóng về không.
• Độ mạnh rất lớn: Như đã đề cập, đây là lực mạnh nhất trong bốn lực cơ bản.
• Tính giam hãm (Confinement): Quark không bao giờ được tìm thấy ở trạng thái tự do mà luôn bị giam hãm bên trong các hadron. Khi cố gắng tách các quark ra xa nhau, năng lượng cần thiết sẽ tăng lên. Năng lượng này cuối cùng sẽ đủ lớn để tạo ra các cặp quark-phản quark mới, dẫn đến việc hình thành các hadron mới thay vì tách được các quark riêng lẻ.
• Tự do tiệm cận (Asymptotic freedom): Ở khoảng cách rất nhỏ, hoặc năng lượng rất cao, tương tác giữa các quark trở nên yếu hơn. Điều này có nghĩa là ở năng lượng rất cao, các quark hoạt động gần như là các hạt tự do.

Vai trò trong vật lý hạt nhân

Tương tác mạnh đóng vai trò quan trọng trong:

• Sự ổn định của hạt nhân: Lực mạnh liên kết proton và neutron lại với nhau trong hạt nhân, vượt qua lực đẩy điện từ giữa các proton.
• Phản ứng hạt nhân: Các quá trình như phân rã phóng xạ, phản ứng nhiệt hạch và phản ứng phân hạch đều liên quan đến tương tác mạnh.
• Sự hình thành các hạt hadron: Tất cả các hadron, bao gồm proton, neutron, meson và các hạt cộng hưởng, được hình thành do tương tác mạnh giữa các quark.

Mô hình chuẩn

Tương tác mạnh được mô tả bởi lý thuyết sắc động lực học lượng tử (Quantum Chromodynamics – QCD), một phần của Mô hình Chuẩn của vật lý hạt. QCD là một lý thuyết trường lượng tử phức tạp, và việc tính toán chính xác trong QCD thường rất khó khăn.

Nghiên cứu hiện tại

Nghiên cứu về tương tác mạnh vẫn đang được tiến hành tích cực, tập trung vào việc hiểu rõ hơn về các khía cạnh như tính giam hãm, tự do tiệm cận và trạng thái của vật chất quark-gluon (quark-gluon plasma – QGP), một trạng thái của vật chất được cho là đã tồn tại trong những khoảnh khắc đầu tiên sau Vụ Nổ Lớn.

Lý thuyết sắc động lực học lượng tử (QCD)

Như đã đề cập, QCD là lý thuyết mô tả tương tác mạnh. Nó là một lý thuyết trường gauge phi-Abel với nhóm gauge SU(3). “Điện tích màu” của quark đóng vai trò tương tự như điện tích trong điện động lực học lượng tử (QED), nhưng với ba loại “màu” thay vì một. Gluon, các hạt truyền tương tác mạnh, mang cả “màu” và “phản màu”, dẫn đến sự tự tương tác giữa chúng, một đặc điểm khác biệt so với photon trong QED. Phương trình Lagrangian của QCD có dạng:

$L{QCD} = – \frac{1}{4} G^a{\mu\nu} G^{a\mu\nu} + \sum_f \bar{\psi}f (i \gamma^\mu D\mu – m_f) \psi_f$

Trong đó:

• $G^a_{\mu\nu}$ là cường độ trường gluon.
• $\psi_f$ là trường Dirac của quark với hương vị $f$.
• $D_\mu = \partial_\mu – ig_s \frac{\lambda^a}{2} A^a_\mu$ là đạo hàm hiệp biến, với $g_s$ là hằng số tương tác mạnh, $\lambda^a$ là ma trận Gell-Mann, và $A^a_\mu$ là trường gauge gluon.
• $m_f$ là khối lượng của quark hương vị $f$.

Vật chất quark-gluon (QGP)

Ở nhiệt độ và mật độ năng lượng cực cao, các hadron được dự đoán sẽ “tan chảy” thành một trạng thái của vật chất gọi là QGP, trong đó quark và gluon tồn tại tương đối tự do. Trạng thái này được cho là đã tồn tại trong vũ trụ sơ khai, ngay sau Vụ Nổ Lớn. Các thí nghiệm tại Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC) ở CERN và Máy Va chạm Ion Nặng Tương đối tính (RHIC) ở Brookhaven National Laboratory đã tạo ra và nghiên cứu QGP, cung cấp thông tin quý giá về tính chất của tương tác mạnh và sự tiến hóa của vũ trụ.

Các vấn đề mở

Mặc dù QCD đã đạt được nhiều thành công trong việc giải thích các hiện tượng liên quan đến tương tác mạnh, vẫn còn một số vấn đề mở đang được nghiên cứu, bao gồm:

• Giải thích chi tiết về cơ chế giam hãm: Mặc dù giam hãm được quan sát trong thực nghiệm và được hỗ trợ bởi các mô phỏng trên mạng tinh thể, một lời giải thích toán học chặt chẽ từ QCD vẫn chưa được tìm ra.
• Tính toán chính xác các tính chất của hadron: Việc tính toán các tính chất của hadron từ QCD là một bài toán rất khó, đòi hỏi các kỹ thuật tính toán phức tạp như QCD trên mạng tinh thể.
• Hiểu rõ hơn về pha chuyển pha giữa hadron và QGP: Bản chất của pha chuyển pha này và các tính chất của QGP vẫn đang được tích cực nghiên cứu.

• D. Griffiths, Introduction to Elementary Particles (Wiley, 2008).
• F. Halzen and A.D. Martin, Quarks and Leptons: An Introductory Course in Modern Particle Physics (Wiley, 1984).
• M.E. Peskin and D.V. Schroeder, An Introduction to Quantum Field Theory (Westview Press, 1995).

Câu hỏi và Giải đáp

Tại sao lực mạnh chỉ tác dụng ở khoảng cách rất ngắn, trong khi lực điện từ có phạm vi tác dụng vô hạn?

Trả lời: Sự khác biệt này xuất phát từ bản chất của các hạt truyền tương tác. Photon, hạt truyền tương tác điện từ, không có khối lượng và không mang điện tích. Trong khi đó, gluon, hạt truyền tương tác mạnh, mang “màu” và mặc dù không có khối lượng nghỉ, chúng tương tác với nhau. Sự tự tương tác này của gluon dẫn đến hiện tượng giam hãm, hạn chế phạm vi tác dụng của lực mạnh trong phạm vi kích thước hạt nhân.

Tự do tiệm cận có ý nghĩa gì trong bối cảnh của tương tác mạnh?

Trả lời: Tự do tiệm cận nghĩa là ở năng lượng rất cao (hoặc tương đương, khoảng cách rất nhỏ), hằng số tương tác mạnh $g_s$ giảm xuống. Điều này có nghĩa là ở năng lượng cao, quark hoạt động gần như là các hạt tự do, ít bị ảnh hưởng bởi tương tác mạnh.

Làm thế nào để QCD giải thích sự tồn tại của các hadron “kỳ lạ” (strange)?

Trả lời: QCD cho phép sự tồn tại của nhiều loại quark, bao gồm quark lạ (strange quark). Các hadron “kỳ lạ” chứa ít nhất một quark lạ. Ví dụ, kaon (K meson) chứa một quark lạ và một phản quark (up hoặc down). QCD mô tả tương tác mạnh giữa các quark này, giải thích sự hình thành và tính chất của các hadron “kỳ lạ”.

Sự khác biệt chính giữa QGP và vật chất hadron thông thường là gì?

Trả lời: Trong vật chất hadron thông thường, quark bị giam hãm bên trong các hadron. Trong QGP, ở nhiệt độ và mật độ năng lượng rất cao, quark và gluon không còn bị giam hãm mà tồn tại ở trạng thái tương đối tự do, tạo thành một “súp” quark và gluon.

Làm thế nào các nhà khoa học nghiên cứu QGP trong thực nghiệm?

Trả lời: QGP được tạo ra trong phòng thí nghiệm bằng cách va chạm các ion nặng với nhau ở năng lượng rất cao, chẳng hạn như tại LHC và RHIC. Việc phân tích các hạt được tạo ra trong các va chạm này cung cấp thông tin về tính chất của QGP, ví dụ như nhiệt độ, mật độ và các đặc điểm của dòng chảy. Các nhà khoa học sử dụng các mô hình lý thuyết và mô phỏng số để phân tích dữ liệu thực nghiệm và hiểu rõ hơn về QGP.