Sau khi tái khởi động từ tháng 4 năm nay với mức công suất cao hơn, máy gia tốc hạt lớn Large Hadron Collider (LHC) đã giúp các nhà khoa học tìm thấy một hạt hạ nguyên tử mới mang tên pentaquark. Đây là phát hiện mang tính lịch sử đối với vật lý hiện đại, mở ra thêm hiểu biết về sự tạo thành của các hạt proton, notron và nhiều loại hạt vật chất khác.
Vào năm 1964, 2 nhà vật lý học là Murray Gell Mann và George Zweig đã độc lập đưa ra dự đoán về sự tồn tại của các hạt hạ nguyên tử gọi là quark. Đây là một hạt cơ bản sơ cấp và là một thành phần cơ bản của vật chất. Các quark kết hợp với nhau tạo thành các hạt tổ hợp là các hadron. Có 2 họ hadron là baryon (3 quark hóa trị) và meson (1 quark và một phản quark hóa trị). Những baryon thường gặp nhất là proton và notron bởi tính ổn định của nó. Có rất nhiều hadron đã được biết đến. Bên cạnh đó còn có các hadron ngoại lai với các quark hóa trị nhiều hơn được phỏng đoán nhưng vẫn chưa được chứng minh, điển hình như các tetraquark và các pentaquark (bao gồm 4 quark và 1 phản quark).
Từ giữa những năm 2000, vài nhóm nghiên cứu tuyên bố đã phát hiện ra pentaquark, tuy nhiên các nghiên cứu sau đó đều bị bác bỏ bởi các thí nghiệm kiểm chứng sau đó. Nhà vật lý học, Patrick Koppenburg, đồng điều phối viên hệ thống LCH tại Cern cho biết: "Hạt pentaquark có cả một lịch sử lâu đời, đó là lý do tại sao chúng tôi đã rất cẩn thận trong quá trình nghiên cứu và công bố kết quả. Dường như từ pentaquark đã bị nguyền rủa." Lần này, cuối cùng thì các nhà nghiên cứu đã dùng LHC để lần đầu tiên phát hiện ra bằng chứng về sự tồn tại của nó.
Guy Wilkinson, đồng tác giả của nghiên cứu cho biết: "Pentaquark không phải là một hạt mới. Nó đại diện cho cách kết hợp của các quark theo một mô hình mà chưa từng được quan sát trong các thử nghiệm tìm kiếm suốt 50 năm qua. Nghiên cứu tính chất của nó cho phép chúng ta hiểu được làm thế nào proton và notron được tạo thành."
Trong nghiên cứu mới đây, nhóm đã xác định sự tồn tại của pentaquark bằng cách quan sát sự phân rã của các baryon gọi là Lamda b. Trong quá trình phân rã, nó đã tách ra thành 3 hạt đã được các nhà vật lý biết tới trước đây là một J-psi, một proton và một hạt meson mang tên kaon. Trong quá trình quan sát, các nhà nghiên cứu đã thấy được 2 hạt trong trạng thái chuyển đổi mang tên Pc(4459)+ và Pc(4380)+.
Nhà vật lý học Tomasz Skwarnicki tại Đại học Syracuse, một thành viên của nhóm nghiên cứu cho biết: "Chúng tôi đã khảo sát tất cả những khả năng của các tín hiệu này và cuối cùng, chúng tôi đi tới kết luận rằng đó chỉ có thể là trạng thái pentaquark." Các thí nghiệm trước đây chỉ đo lường sự phân bổ trọng lượng nhằm tìm kiếm nơi cao nhất nền "tiếng ồn" về mặt thống kê và khi đó, họ cho rằng đây là một dấu hiệu của pentaquark.
Lần này, LHC cho phép các nhà nghiên cứu có thể phân tích các dữ liệu dưới góc độ bổ sung, gọi là 4 góc xác định bởi 4 hướng di chuyển khác nhau của các hạt di chuyển trong máy gia tốc hạt. Từ đó, họ có thêm cơ sở vững chắc nhằm khẳng định sự tồn tại của pentaquark. Sắp tới, các nhà nghiên cứu sẽ đào sâu tìm hiểu cấu trúc của các pentaquark để hiểu chính xác làm thế nào chúng có thể kết hợp với nhau.
