Hadron là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa cơ bản về hadron

Hadron là tập hợp các hạt sơ cấp tương tác mạnh, gồm các quark và gluon bị nhốt trong một vùng không gian kích thước cỡ femto-mét (10^–15 m). Tính chất chủ yếu của hadron là không tồn tại trạng thái quark tự do ngoài khoảng thời gian cực ngắn; các quark chỉ xuất hiện trong các trạng thái composite tuân theo nguyên lý nhốt màu (color confinement) của sắc động lực học lượng tử (QCD).

Mọi hadron đều là fermion hoặc boson tùy theo tổng spin của quark cấu thành, và các trạng thái này được mô tả qua số lượng và loại quark (flavor) tham gia. Hadron xuất hiện phong phú trong tự nhiên: proton và neutron (thành phần của hạt nhân nguyên tử) là hai ví dụ tiêu biểu của baryon, trong khi pion và kaon là các meson đơn giản nhất.

Thông qua va chạm hạt tốc độ cao (như tại LHC hay RHIC), người ta khảo sát phép biến đổi hadron, khai phá phổ khối lượng và cộng hưởng, từ đó kiểm chứng tính bất tiệm phân (asymptotic freedom) và nguyên lý nhốt màu của QCD.

Phân loại hadron: baryon và meson

Hadron được phân thành hai nhóm chính theo số quark cấu thành:

• Baryon: gồm 3 quark (qqq), mang số baryon B = +1. Ví dụ proton (uud) và neutron (udd).
• Meson: gồm 1 quark và 1 antiquark (q\bar{q}), mang số baryon B = 0. Ví dụ pion (π⁺ = u\bar{d>), kaon (K⁺ = u\bar{s>).

Bên cạnh đó, thí nghiệm hiện đại cũng ghi nhận các trạng thái hadron lạ hơn như tetraquark (qq\bar{q}\bar{q}) hay pentaquark (qqqq\bar{q}), tuy chưa phải là thành phần cơ bản của mô hình Chuẩn nhưng mở ra hướng nghiên cứu hadron không truyền thống.

Phổ khối lượng và tốc độ phân rã của mỗi nhóm phong phú khác nhau, đòi hỏi kỹ thuật phân tích tần số cao và máy gia tốc năng lượng lớn để tách riêng từng cộng hưởng và xác định tính chất lý thuyết của chúng.

Cấu trúc quark và số baryon

Cấu trúc nội tại của hadron được mô tả qua thành phần quark: mỗi quark có flavor (u, d, s, c, b, t), charge điện, spin và khối lượng hiệu dụng. Ví dụ, proton gồm hai quark up (u) và một quark down (d), ký hiệu uud, mang điện tích +1e và spin tổng S = 1/2.

Số baryon B của một hạt quyết định bởi:

$B = \frac{1}{3}(n_q - n_{\bar{q}})$

• Với baryon, n_q – n_q̄ = 3 → B = +1.
• Với antibaryon, n_q – n_q̄ = –3 → B = –1.
• Với meson, n_q – n_q̄ = 0 → B = 0.

Hạt	Cấu trúc quark	Số baryon B	Điện tích (e)
Proton (p)	u u d	+1	+1
Neutron (n)	u d d	+1	0
Pion π+	u \bar{d}	0	+1
Kaon K0	d \bar{s}	0	0

Tương tác mạnh và Lagrangian QCD

Sắc động lực học lượng tử (QCD) là lý thuyết nền tảng mô tả tương tác mạnh giữa quark và gluon, với đặc trưng chính là tính bất tiệm phân (asymptotic freedom) ở năng lượng cao và nhốt màu (color confinement) ở năng lượng thấp.

Lagrangian tổng quát của QCD biểu diễn dưới dạng:

$\mathcal{L}_{\rm QCD} \;=\; \sum_{f}\bar{\psi}_f\bigl(i\gamma^\mu D_\mu - m_f\bigr)\psi_f \;-\; \tfrac{1}{4}G^a_{\mu\nu}G^{a\mu\nu}$

• $\psi_f$: trường Dirac của quark loại f với khối lượng m_f.
• D_μ = ∂_μ – ig_st^aA_μ^a: đạo hàm covariant chứa trường gluon A_μ^a.
• G_μν^a = ∂_μA_ν^a – ∂_νA_μ^a + g_sf^abcA_μ^bA_ν^c: tensor trường gluon.

Các hằng số cấu trúc f^abc và ma trận t^a của nhóm SU(3)_color xác định cách thức gluon tương tác lẫn nhau và với quark, dẫn đến khả năng tự tương tác của gluon—đặc tính không có trong QED.

Phương pháp phát hiện và đo lường

Gia tốc và va chạm hạt là công cụ chủ lực để sản sinh và quan sát hadron. Các máy gia tốc như LHC (CERN) hay RHIC (BNL) tăng tốc proton, ion nặng đến năng lượng TeV, tạo ra va chạm đủ mạnh để giải phóng quark và gluon, sau đó chúng tái tập hợp thành hadron.

Các detector của thí nghiệm được chia thành nhiều tầng chức năng:

• Tracker: theo dõi quỹ đạo hạt tích điện trong từ trường, xác định momentum.
• Calorimeter: đo năng lượng của photon và hadron trung tính qua bức xạ điện từ hoặc hadron.
• Muon chamber: phát hiện muon khoáng thấm, tách biệt từ các sản phẩm tan rã hadron khác.

Phân tích dữ liệu sử dụng thuật toán clustering và jet reconstruction để gom các hadron sinh ra từ quark/gluon ban đầu thành chùm (jet), từ đó trích xuất phổ khối lượng và góc phân tán [CERN ATLAS].

Các thí nghiệm hadron tiêu biểu

LHC – CERN: ATLAS và CMS khảo sát phổ hadron cộng hưởng, tìm dấu hiệu trạng thái lạ như tetraquark và pentaquark. ALICE chuyên về va chạm ion nặng, nghiên cứu quark–gluon plasma (QGP) ở nhiệt độ cực cao.

RHIC – BNL: STAR và PHENIX đo tính chất QGP, xác định sự chuyển pha hạt nhân sang trạng thái tự do quark thông qua quan sát tham số chảy (flow coefficients) và mất năng lượng jet.

Jefferson Lab – CLAS: Sử dụng electron beam 12 GeV để khảo sát cấu trúc baryon và meson nhẹ, đo form factor và phân rã photon–hadron [Jefferson Lab].

Belle II – KEK: Nghiên cứu phân rã meson b, CP violation và tìm kiếm trạng thái hadron ngoại lai trong va chạm e⁺e⁻ ở năng lượng Υ(4S).

Vai trò trong Mô hình Chuẩn

Hadron là minh chứng thực nghiệm cho sắc động lực học lượng tử (QCD) – một phần then chốt của Mô hình Chuẩn. Việc đo lường độ rộng cộng hưởng và phân rã mạnh giúp xác định hằng số tương tác mạnh α_s và tính chất không Abel của trường gluon.

Các tham số form factor của baryon và meson thu được từ scattering electron–hadron và tăng tốc proton–proton là đầu vào cho mô hình cấu trúc hạt nhân và tính toán nguyên tử hạt nhân [PDG Review].

Qua nghiên cứu hadron, các hiện tượng như sự phá vỡ đối xứng quang-flavor và CP violation cũng được khảo sát, bổ sung cho lý thuyết về thế năng CKM và giúp tìm kiếm physics beyond the Standard Model.

Phổ hadron và cộng hưởng

Phổ hadron thể hiện các đỉnh cộng hưởng – những trạng thái kích thích của quark–gluon với khối lượng và độ rộng đặc trưng. Phổ thường thu được qua kênh phân rã mạnh như πN → ππN hoặc γp → πN, phân tích bằng Partial Wave Analysis (PWA).

Cộng hưởng	Khối lượng (MeV/c²)	Độ rộng (MeV)	Quark nội tại
Δ(1232)	1232	117	uud
Λ(1520)	1519	15.6	uds
ρ(770)	775	149	u\bar{d}
J/ψ(1S)	3097	0.093	c\bar{c}

Các cộng hưởng cao hơn như Ξ*, Σ* và trạng thái lạ exotica (Z_c, P_c) đang được xác thực qua số liệu LHCb và BESIII [InspireHEP].

Ứng dụng và xu hướng nghiên cứu

Nghiên cứu hadron mở ra hướng phát hiện trạng thái exotica: tetraquark (qq\bar{q}\bar{q}), pentaquark (qqqq\bar{q}) và hybrid hadron chứa cả quark và gluon kích thích. LHCb đã quan sát P_c(4312) và thêm nhiều tín hiệu mới tại 2019–2024.

Trong vật lý thiên văn, tính chất hadron tại điều kiện cực đoan (mật độ cao, nhiệt độ cao) mô phỏng trong neutron star merger và early universe. Các mô hình QCD gắn nhiệt độ và mật độ vào phase diagram để dự đoán điểm tới hạn (critical point).

Công nghệ detector tiếp theo tập trung vào độ phân giải cao và tốc độ ghi nhận (timing resolution) < 10 ps, cho phép phân tách cộng hưởng chồng lấn và theo dõi quark-flavor trong thời gian thực.

Tài liệu tham khảo

• Particle Data Group. “Review of Particle Physics.” pdg.lbl.gov
• CERN. “ATLAS Experiment.” home.cern/science/experiments/atlas
• Adams, J. et al. “Experimental and theoretical challenges in the search for the quark–gluon plasma: The STAR Collaboration’s critical assessment.” Nucl. Phys. A 757 (2005) 102–183.
• Abramowicz, H.; et al. “The CLAS12 detector.” Nucl. Instrum. Meth. A 959 (2020) 163419. doi:10.1016/j.nima.2019.163419
• Cheng, M.; et al. “Observation of P_c(4312) and P_c(4440).” Phys. Rev. Lett. 122, 222001 (2019).
• Brambilla, N.; et al. “QCD and Strongly Coupled Gauge Theories: Challenges and Perspectives.” Eur. Phys. J. C 74 (2014) 2981. doi:10.1140/epjc/s10052-014-2981-5