Khi nói đến thế giới vật chất vi quan, các nhà khoa học trên toàn thế giới không chỉ quan tâm đến các hạt proton, neutron và electron. Những hạt hạ nguyên tử này lại được tạo thành từ những thứ nhỏ hơn nhiều - hạt quark.

Quark và gluon

“Giống như các hạt electron và lepton khác, các hạt quark dường như không có cấu trúc nào và cũng có vẻ không thể phân tách ra được... Quark rất nhỏ, nhỏ đến nỗi không thể tả được, thậm chí chỉ cố gắng thể hiện kích thước ước tính của chúng... Bán kính của quark nhỏ hơn khoảng 2.000 lần so với một hạt proton, và nhỏ hơn 2,4 nghìn tỷ lần một hạt cát... Một trong những điều kỳ lạ về quark... là chúng ta có thể quan sát thấy chúng, nhưng không thể cô lập chúng’’, theo HSW.

Sự tồn tại của quark được đề xuất lần đầu tiên vào năm 1964. Trong khoảng thời gian từ 1967 đến 1973, một loạt các thí nghiệm được thực hiện tại Trung tâm Máy gia tốc tuyến tính Stanford đã xác nhận sự tồn tại của các hạt quark. Vì chúng ta không thể cô lập chúng, cách duy nhất để quan sát các hạt quark là sử dụng máy gia tốc hạt, tăng tốc các electron và sau đó thăm dò độ sâu của hạt nhân. Ý tưởng là khi đi vào đủ sâu, các electron sẽ phân tán các hạt quark, cho phép các nhà khoa học đo chúng.

Cách duy nhất để quan sát các hạt quark là sử dụng máy gia tốc hạt như Máy va chạm Hadron CERN Lớn. 

Về cơ bản có sáu loại quark tùy thuộc vào khối lượng của chúng. Những hạt này có một đặc tính được gán cho chúng, gọi là màu sắc, được sử dụng để giải thích làm thế nào các hạt quark được giữ chặt với nhau nhờ lực hút mạnh. Màu sắc phụ thuộc các gluon, liên kết các quark lại với nhau và hoạt động như một sứ giả của lực hút mạnh.

Sau Big Bang (Vụ nổ lớn), một chất lỏng mạnh mẽ và nóng bỏng với nhiệt độ khoảng 2 nghìn tỷ độ C đã xuất hiện. Chất lỏng này chứa các khối cấu trúc của tất cả các vật chất trong vũ trụ. Các hạt này nguội lạnh dần và cuối cùng kết hợp với nhau để tạo ra thế giới ngày nay, theo khoa học. Chất bí ẩn này được gọi là plasma Quark-gluon (QGP).

QGP thường được gọi là “chất lỏng hoàn hảo’’. “Ngoài việc rất nóng - nóng hơn hàng trăm ngàn lần so với lõi của Mặt trời - plasma quark-gluon có độ nhớt thấp hơn chúng ta nghĩ... Nói cách khác, nó chảy rất dễ dàng’’, nhà vật lý của Rosi J Reed nói với LU News. QGP có một giá trị là có tính xoáy cao nhất, cao hơn bất kỳ chất lỏng nào, có nghĩa là nó xoáy cực kỳ mạnh. Trong khi đó, sự tồn tại của quark đặt ra một câu hỏi quan trọng khác cho nhà khoa học - có còn gì nhỏ hơn nữa không?

Kích thước proton

Năm 2010, các nhà khoa học từ Đức báo cáo rằng họ đã đo thành công kích thước của một proton. Một nhóm nghiên cứu thuộc Viện Quang học lượng tử Max Planck do giáo sư Randolf Pohl đứng đầu, đã thay thế các electron trong nguyên tử hydro bằng một hạt tương tự gọi là muon nặng gấp 207 lần so với electron. Họ đã phát hiện ra rằng các proton có quỹ đạo muon có bán kính 0,84 femtômét (8.4×10-16m), nhỏ hơn khoảng 4% so với các proton được tìm thấy trong hydro thông thường.

Các nhà khoa học phát hiện rằng các proton có quỹ đạo muon với bán kính nhỏ hơn so với các proton được tìm thấy trong các nguyên tử thông thường. 

Điều này đặt ra một câu hỏi - các proton co lại khi có sự hiện diện của hạt muon? Nếu vậy, sẽ có một mối quan hệ bí ẩn tồn tại giữa muon và proton. Năm ngoái, một bài báo của một nhóm các nhà vật lý do Eric Hessels thuộc Đại học York ở Toronto dẫn đầu đã đưa ra câu trả lời cho câu đố này.

“Hessels và nhóm của ông đã chốt bán kính proton ở mức 0,833 femtômét (8.333×10-16m), một phép đo chính xác gần phù hợp với giá trị của Pohl. Cả hai phép đo đều chính xác hơn các lần thử trước đó và chúng cho thấy rằng proton không thay đổi kích thước tùy theo ngữ cảnh; thay vào đó, các phép đo cũ sử dụng hydro điện tử là sai’’, theo Quanta Magazine (Tạp chí Quanta). Proton chiếm phần lớn khối lượng của một nguyên tử hydro. Nó nặng hơn khoảng 2.000 lần so với điện tử.