Nhà vật lý học lý thuyết William Detmold đã giải mã các bí ẩn về hạt quark, gluon, cũng như các “tương tác mạnh” giữa những hạt này ở mức độ hạ nguyên tử.

Các hạt proton kết hợp để cung cấp năng lượng cho mặt trời như thế nào? Chuyện gì xảy ra với các neutrino bên trong một siêu tân tinh sắp nổ? Hạt nhân nguyên tử hình thành như thế nào từ các proton và neutron trong những phút đầu tiên sau Big Bang? Để tái tạo những quy trình bí ẩn này cần tới những phép tính vô cùng phức tạp, các thuật toán vô cùng tinh vi, cũng như rất nhiều năng lực siêu máy tính.

Nhà vật lý học lý thuyết William Detmold đã tận dụng những công cụ này để “khám phá” lĩnh vực lượng tử. “Việc cải thiện các phép tính quy trình này sẽ giúp chúng ta học được về những đặc điểm cơ bản của vũ trụ,” ông chia sẻ. “Trong những phần của vũ trụ mà ta nhìn thấy được, đa số vật chất đều cấu thành từ proton. Vì vậy, hiểu được cấu trúc và thành phần của proton là vô cùng quan trọng.”

Các nhà nghiên cứu tại Large Hadron Collider (LHC), nơi sở hữu máy gia tốc hạt lớn nhất thế giới, lại nghiên cứu thông qua việc cho các hạt này va đập với nhau, sau đó quan sát các phần sau va chạm để tìm kiếm manh mối về thứ cấu thành và liên kết vật chất.

Detmold, một Phó Giáo sư Khoa Vật lý, kiêm thành viên Trung tâm Vật lý Lý thuyết và Phòng nghiên cứu Khoa học Hạt nhân, lại nghiên cứu từ những nguyên lý ban đầu – tức thuyết Mô hình Tiêu chuẩn trong Vật lý Hạt.

Cụ thể, thuyết này mô tả ba trong số bốn lực cơ bản trong Vật lý Hạt (ngoại trừ trọng lực), cũng như tất cả các hạt hạ nguyên tử mà ta đã biết. Nó đã thành công trong việc dự đoán kết quả của nhiều thí nghiệm, trong rất nhiều lần, bao gồm cả thí nghiệm chứng minh sự tồn tại của hạt Higgs nổi tiếng vào hồi năm 2011, được thực hiện bởi các nhà nghiên cứu LHC.

Một mục tiêu quan trọng trong nghiên cứu của Detmold là “đối chiếu các dữ liệu thí nghiệm” từ các thí nghiệm giống như tại LHC. Cụ thể, sau khi thực hiện các phép tính, chạy chúng trên nhiều siêu máy tính và xem xét lượng thống kê khổng lồ từ những phép tính này – một quá trình thường kéo dài từ sáu tháng tới nhiều năm – Detmold cùng đội ngũ của mình sẽ “lấy tất cả các dữ liệu này và phân tích chuyên sâu chúng để tìm ra các đặc điểm vật lý chính – ví dụ như, trọng lượng proton, dưới dạng một giá trị số với một khoảng không chắc chắn nhất định.”

Mối lo ngại lớn nhất của tôi là việc phân tích này sẽ ảnh hưởng như thế nào với các kết quả thí nghiệm,” Detmold nói. “Trong nhiều trường hợp, chúng tôi thực hiện các phép tính này để phân tích các thí nghiệm được làm ở LHC và tự hỏi: Mô hình Tiêu chuẩn đã mô tả những gì đang xảy ra ở đây hay không?”

Detmold đã giúp tạo ra những tiến bộ quan trọng trong việc giải quyết các phương trình Thuyết sắc động lực học lượng tử (quantum chromodynamics – QCD), một lý thuyết lượng tử mà trong đó mô tả các tương tác mạnh trong proton – tức giữa các hạt quark (các hạt nhỏ nhất cấu thành nên vật chất) và gluon (lực liên kết các quark lại với nhau).

Ông cũng đã thực hiện một số phép tính QCD đầu tiên trên các phản ứng phân rã hạt. Những phép tính này đã cho thấy các kết quả tương đối tương đồng với kết quả từ LHC.

Không có khác biệt quá rõ ràng nào giữa thuyết Mô hình Tiêu chuẩn và kết quả LHC, nhưng vẫn có một số vấn đề khá thú vị,” ông nói. “Còn tôi thì đang quan sát một trong số những vấn đề này.”

Cảm hứng cho việc đặt câu hỏi

Detmold bắt đầu quan tâm tới vật lý lượng tử kể từ khi còn ngồi trên ghế nhà trường tại Adelaide, Úc. “Từ khi còn bé, tôi đã đọc vô cùng nhiều sách khoa học phổ biến lúc đó, và luôn cảm thấy quark, gluon, các vật chất cơ bản, và cả những công cụ toán học để xử lý chúng rất thú vị.”

Ông sau đó đã theo học từ Cử nhân tới Tiến sỹ tại Đại học Adelaide. Trong quá trình học tập này, ông gặp được một vị giáo sư đã truyền cảm hứng cho ông về các cơ chế lượng tử. “Đó là lớp học thú vị nhất mà tôi từng học. Và bây giờ thì chính tôi lại là người dạy nó.”

Detmold đã dạy khóa cơ bản về cơ chế lượng tử tại MIT trong nhiều năm, qua đó đã trở nên thành thạo trong việc phát hiện các sinh viên có hứng thú với môn học này. “Lớp học nào cũng sẽ có một số em tràn đầy hứng thú mỗi khi viết các bài toán, việc tương tác với những học sinh này rất thú vị.”

Mặc dù ông không thể mang những nghiên cứu phức tạp của mình vào những lần trò chuyện với sinh viên, Detmold vẫn luôn cố truyền cảm hứng cho học sinh của mình bằng cách chỉ cho họ cách đặt câu hỏi, giúp tìm ra những luận điểm mới về cấu trúc sâu của vũ trụ.

Bạn có thể giải thích vấn đề theo nhiều cách để học sinh có hứng thú nghiên cứu và tìm hiểm thêm,” ông nói. “Dạy học là phải truyền cảm hứng cho học sinh khám phá, chứ không đơn giản là chỉ truyền tải thông tin. Mong rằng tôi đã giúp những sinh viên của mình theo cách mà giáo sư của tôi từng làm.”

Ông cũng bổ sung: Thời điểm này, khi chúng ta phải ở nhà và học từ xa, sẽ không có mấy người tràn trề cảm hứng. Tuy nhiên, dịch bệnh chắc chắn sẽ kết thúc, và đôi khi, ta cần phải sao lãng khỏi thế giới, bằng cách nghiên cứu những phương trình phức tạp của Maxwell.”

Cải thiện thí nghiệm

Khi không bận dạy học hoặc phân tích dữ liệu siêu máy tính, Detmold thường hỗ trợ việc lên kế hoạch cho các thí nghiệm hiệu quả hơn.

Viện Electron-Ion Collider – một trung tâm nghiên cứu dự kiến sẽ được xây tại Phòng Thí nghiệm Quốc gia Brookhaven, Long Island, đang đặt mục tiêu nghiên cứu sâu hơn về cấu trúc bên trong của proton. Một số phép tính của Detmold thì lại cung cấp cái nhìn định lượng về cấu trúc của các gluon bên trong proton, giúp các nhà thiết kế dự án biết được họ đang muốn nghiên cứu về cái gì, từ đó lên kế hoạch tốt hơn cho việc phát hiện lượng vật chất.

Chúng ta có thể dự đoán trước những gì có thể thấy nếu ta thiết kế thí nghiệm theo một cách cụ thể,” ông nói. Detmold cũng là một chuyên gia trong việc điều hướng các dự án siêu máy tính phức tạp. Việc này yêu cầu ông phải tìm được cách chạy một lượng lớn phép tính theo một cách hiệu quả, phù hợp với năng lực và thời gian hạn chế của các siêu máy tính.

Ông cùng các đồng nghiệp cũng đã phát triển ra những thuật toán và hạ tầng phần mềm để chạy các phép tính này trên siêu máy tính, giải quyết các vấn đề gây ra do chênh lệch về thiết bị xử lý trong các máy tính này. “Riêng việc tìm ra cách để thực hiện các phép tính hiệu quả đã là cả một công trình nghiên cứu rồi,” Detmold bày tỏ.

Quả nhiên, Detmold đã dành rất nhiều thời gian để cải thiện các phương thức giải quyết vấn đề. Theo ông, các thuật toán mới nắm vai trò chủ chốt trong việc xử lý các vấn đề mới phát sinh, cũng như tính toán cấu trúc hạt nhân và phản ứng liên quan trong bối cảnh Thuyết Mô hình Tiêu chuẩn.

Giả dụ ta có một khối lượng nhất định cần tính toán, nhưng với công cụ hiện tại thì phải mất tới 10.000 năm để xử lý chúng trên một siêu máy tính khổng lồ,” ông nói. “Việc tìm ra cách thức khác để tính một thứ tưởng như là không thể – điều đó vô cùng thú vị.”

Truyền cảm hứng về những bí ẩn

Tuy nhiên, trung tâm các công trình của Detmold vẫn là những bí ẩn cơ bản của vũ trụ. Khi quark và gluon cách xa nhau hơn, thì tương tác giữa chúng lại trở nên mạnh hơn. Để hiểu được cơ chế phía sau các trạng thái ít năng lượng này, Detmold đã cải tiến một kỹ thuật máy tính gọi là phương pháp mạng QCD (lattice quantum chromodynamics – LQCD), tức tạo mạng điểm cho các vùng quark và gluon để biểu hiện không gian và thời gian.

Starry outer space background texture Premium Photo

Vào năm 2017, Detmold cũng các đồng nghiệp đã thực hiện các phép tính LQCD đầu tiên để tính tỷ lệ kết hợp proton-proton – tức quá trình hai proton hòa thành một deuteron duy nhất.

Đây cũng là quá trình kích thích ra các phản ứng hạt nhân trên mặt trời, và nghiên cứu về nó thông qua thí nghiệm là cực kỳ khó khăn. “Nếu bạn thử mang hai proton lại gần nhau, thì tích điện của chúng lại cố đẩy nhau ra xa,” Detmold nói.

Ông cũng chia sẻ về công trình của mình và đồng nghiệp: “Nó đã cho thấy tương lai của lĩnh vực này. Đây chỉ là một trong những phản ứng hạt nhân cơ bản nhất, song nó đã mở ra cánh cửa mới cho thấy rằng, chúng ta có thể trực tiếp nghiên cứu về chúng từ thuyết Mô hình Tiêu chuẩn. Chúng tôi sẽ cố gắng phát triển công trình này, cũng như tính toán các phản ứng có liên quan.”

Một công trình khác gần đây của ông cũng đã sử dụng LQCD để nghiên cứu về sự hình thành hạt nhân trong vũ trụ sơ khai. Ngoài việc nghiên cứu về quy trình này trong thực tiễn, Detmold cũng đã thử các phép tính và thay đổi một số thông số như khối lượng quark và lực tương tác – để “dự đoán” về cách hình thành phản ứng tổng hợp hạt nhân Big Bang, cũng như ảnh hưởng của nó tới sự tiến hóa của vũ trụ.

Những phép tính này có thể cho thấy khả năng xây dựng ra những vũ trụ tương tự như vũ trụ của chúng ta,” Detmold chia sẻ.

Theo MIT News

Tin liên quan: