Theo báo cáo trên trang web chính thức của Tổ chức Nghiên cứu Hạt nhân Châu Âu (CERN) vào ngày 25, trong một nghiên cứu mới nhất, nhóm cộng tác ATLAS tại Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC) đã sử dụng boson Z, một hạt mang điện trung hòa của lực yếu, để xác định cường độ của lực mạnh với độ chính xác kỷ lục (độ sai số dưới 1%). Các bài báo liên quan đã được gửi đến tạp chí Vật lý Tự nhiên.

Mô hình chuẩn của Vật lý hạt cho biết trong tự nhiên có bốn lực cơ bản: lực mạnh, lực điện từ, lực yếu và lực hấp dẫn, trong đó lực mạnh kết hợp các quark thành proton, neutron và hạt nhân nguyên tử là mạnh nhất. Lực mạnh được truyền bởi gluon và cường độ của nó được gọi là hằng số liên kết mạnh. Mặc dù sự hiểu biết của các nhà khoa học về hằng số ghép mạnh đã được cải thiện qua nhiều năm đo lường và phát triển lý thuyết, nhưng độ không đảm bảo về giá trị của nó vẫn lớn hơn vài bậc độ lớn so với những “bạn đồng hành” khác của nó.

Stefano Camarda, nhà vật lý CERN và thành viên nhóm phân tích, đã chỉ ra rằng cường độ của lực mạnh là một tham số chính của mô hình chuẩn, nhưng độ chính xác của nó hiện chỉ là vài phần trăm, trong khi lực điện từ yếu hơn lực mạnh 15 lần nhưng có độ chính xác là một phần tỷ.

Để cải thiện độ chính xác của các phép đo cường độ lực mạnh, nhóm hợp tác ATLAS đã nghiên cứu boson Z được tạo ra bởi một vụ va chạm proton-proton tại LHC với năng lượng va chạm là 8 teraelectronvolt (TeV). Boson A Z thường được tạo ra khi hai quark trong các proton va chạm hủy nhau. Trong quá trình này, lực mạnh tác dụng thông qua các gluon phát ra từ các quark hủy diệt. Bức xạ này mang lại cho boson Z một động lượng ngang, độ lớn của nó phụ thuộc vào hằng số ghép mạnh. Bằng cách đo chính xác sự phân bố động lượng ngang của boson Z và so sánh nó với các giá trị lý thuyết, có thể xác định được hằng số ghép mạnh.

Trong phân tích mới nhất, nhóm nghiên cứu đã xác định chính xác hằng số ghép mạnh ở thang khối lượng boson Z là 0,1183±0,0009. Độ không đảm bảo tương đối của kết quả này chỉ là 0,8%, đây là phép đo chính xác nhất về cường độ mạnh trong một thí nghiệm duy nhất cho đến nay.

Nhóm nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc đo hằng số ghép mạnh chính xác hơn có ý nghĩa rất lớn: thứ nhất, nó có thể cải thiện độ chính xác của các tính toán lý thuyết về các quá trình hạt liên quan đến lực mạnh; thứ hai, nó có thể giúp giải quyết một số bí ẩn quan trọng chưa được giải quyết. Ví dụ, ở những mức năng lượng cực cao, liệu tất cả các lực cơ bản có cùng cường độ hay không và suy ra liệu chúng có nguồn chung tiềm năng hay không và liệu có những tương tác chưa biết có thể làm thay đổi lực mạnh trong một số quá trình nhất định hoặc ở những mức năng lượng cụ thể hay không, v.v.