Vào giữa thế kỷ 20, các nhà khoa học phát hiện ra rằng proton có khả năng cộng hưởng, giống như sự rung động của đồng hồ. Trong ba thập kỷ tiếp theo, hình ảnh ba chiều của proton tiếp tục phát triển và người ta đã hiểu sâu hơn về cấu trúc của proton ở trạng thái cơ bản. Tuy nhiên, sự hiểu biết về cấu trúc ba chiều của proton cộng hưởng vẫn còn hạn chế.

Một thí nghiệm gần đây tại Cơ sở Máy gia tốc Quốc gia Thomas Jefferson của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ nghiên cứu cấu trúc ba chiều của cộng hưởng proton và neutron. Nghiên cứu này cung cấp một mảnh ghép khác cho bức tranh vũ trụ nơi sự hỗn loạn lần đầu tiên xuất hiện sau Vụ nổ lớn.

Nghiên cứu các tính chất và hành vi cơ bản của nucleon cung cấp manh mối quan trọng cho sự hiểu biết của chúng ta về các khối xây dựng cơ bản của vật chất. Nucleon là các proton và neutron tạo nên hạt nhân của nguyên tử. Mỗi nucleon được tạo thành từ ba quark, được liên kết với nhau bằng gluon dưới sự tương tác mạnh - lực mạnh nhất trong tự nhiên.

Trạng thái năng lượng ổn định nhất và thấp nhất của hạt nhân được gọi là trạng thái cơ bản. Nhưng khi một nucleon bị kích thích cưỡng bức lên trạng thái năng lượng cao, các quark của nó quay và dao động lẫn nhau, biểu hiện cái gọi là cộng hưởng nucleon.

Một nhóm các nhà vật lý từ Đại học Justus Liebig (JLU) ở Giessen, Đức và Đại học Connecticut, dẫn đầu nhóm hợp tác CLAS, đã tiến hành một thí nghiệm để khám phá những cộng hưởng nucleon này. Các thí nghiệm được tiến hành tại Cơ sở Máy gia tốc chùm tia điện tử liên tục (CEBAF) đẳng cấp thế giới của Phòng thí nghiệm Jefferson. CEBAF là cơ sở người dùng của Văn phòng Khoa học Bộ Năng lượng hỗ trợ nghiên cứu của hơn 1.800 nhà vật lý hạt nhân trên khắp thế giới. Kết quả nghiên cứu gần đây đã được công bố trên tạp chí uy tín Physical Review Letters. Stefan Diehl, trưởng nhóm phân tích

, cho biết công trình của nhóm đã tiết lộ những tính chất cơ bản của cộng hưởng hạt nhân. Diehl là nhà nghiên cứu sau tiến sĩ và lãnh đạo dự án tại Viện Vật lý II của Đại học Union Giessen và là giáo sư nghiên cứu tại Đại học Connecticut. Công trình này cũng kích thích những nghiên cứu mới về cấu trúc ba chiều và quá trình kích thích của proton cộng hưởng.

Diehl cho biết: "Đây là lần đầu tiên chúng tôi thực hiện các phép đo và quan sát nhạy cảm với các đặc tính ba chiều của trạng thái kích thích này. Về nguyên tắc, đây chỉ là bước khởi đầu và phép đo này đang mở ra một lĩnh vực nghiên cứu mới"

Thí nghiệm được tiến hành tại Phòng thí nghiệm B vào năm 2018-2019, sử dụng Máy dò CLAS12 tại Phòng thí nghiệm Jefferson. Một chùm electron năng lượng cao được đưa vào buồng chứa khí hydro đã được làm lạnh. Electron tấn công proton của mục tiêu, kích thích các quark bên trong nó và kết hợp với các trạng thái quark-phản quark (còn gọi là meson) để tạo ra cộng hưởng nucleon.

Những sự kích thích như vậy chỉ thoáng qua nhưng chúng để lại bằng chứng về sự tồn tại của chúng dưới dạng các hạt mới được tạo ra bởi sự phân hạch đầy năng lượng của các hạt bị kích thích. Những hạt mới này đủ dài để các máy dò bắt được chúng, nhờ đó nhóm nghiên cứu có thể tái tạo lại các cộng hưởng.

Diehl và những người khác. gần đây đã thảo luận về kết quả của họ tại hội thảo chung "Khám phá cấu trúc cộng hưởng với GPD chuyển tiếp" ở Trento, Ý. Nghiên cứu này đã truyền cảm hứng cho hai nhóm lý thuyết xuất bản các bài báo liên quan.

Nhóm nghiên cứu cũng có kế hoạch tiến hành các thí nghiệm bổ sung tại Phòng thí nghiệm Jefferson sử dụng các mục tiêu và độ phân cực khác nhau. Bằng cách tán xạ electron từ các proton phân cực, chúng có thể thu được các đặc tính khác nhau của quá trình tán xạ. Ngoài ra, việc nghiên cứu các quá trình tương tự, chẳng hạn như kết hợp các photon năng lượng cao để tạo ra sự cộng hưởng, cũng có thể cung cấp nhiều thông tin quan trọng hơn.

Diehl cho biết, thông qua những thí nghiệm này, các nhà vật lý có thể tìm ra đặc điểm của vũ trụ sơ khai sau Vụ nổ lớn: "Ban đầu, vũ trụ sơ khai chỉ có một số plasma gồm các quark và gluon. Do năng lượng quá cao nên các plasma này quay tròn. Sau đó, đến một lúc nào đó, vật chất bắt đầu hình thành và khi vũ trụ giãn nở hơn nữa, nó nguội đi và các nucleon ở trạng thái cơ bản xuất hiện.“Qua những nghiên cứu này, chúng ta có thể hiểu được đặc điểm của những cộng hưởng này. Điều này sẽ cho chúng ta biết vật chất trong vũ trụ hình thành như thế nào và tại sao vũ trụ tồn tại ở dạng như hiện nay”.