Ngay sau Vụ Nổ Lớn, nhiệt độ và mật độ vật chất trong vũ trụ cao đến mức proton và neutron chưa thể hình thành. Thay vào đó, các hạt cơ bản cấu tạo nên chúng là quark và gluon tồn tại gần như tự do trong một trạng thái vật chất gọi là plasma quark-gluon (QGP).
Các nhà khoa học tin rằng trạng thái này chỉ tồn tại trong khoảng một phần triệu giây đầu tiên của Vũ trụ. Sau đó, Vũ trụ giãn nở và nguội đi, khiến quark và gluon liên kết lại để tạo thành proton, neutron rồi các hạt nhân nguyên tử.
Cuối cùng, từ những thành phần đó mới hình thành các ngôi sao, hành tinh và vật chất.
Để nghiên cứu giai đoạn cực kỳ xa xưa này, các nhà vật lý tại CERN đã sử dụng Máy gia tốc hạt lớn (LHC), nơi các hạt nhân nguyên tử được tăng tốc lên gần tốc độ ánh sáng rồi cho va chạm trực diện.
Những vụ va chạm giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ trong một không gian cực nhỏ, tạo ra một “giọt” plasma quark-gluon có nhiệt độ và mật độ cực cao. Nó tồn tại trong thời gian ngắn đến mức các nhà khoa học không thể quan sát trực tiếp. Thay vào đó, họ phân tích hàng loạt hạt được tạo ra sau va chạm và xem chúng bay theo những hướng nào.
Trước đây, các nghiên cứu chủ yếu sử dụng những hạt nhân rất nặng, chẳng hạn chì, bởi người ta cho rằng cần một hệ va chạm đủ lớn mới tạo ra được plasma quark-gluon.
Nhóm nghiên cứu thuộc Viện Niels Bohr, Đại học Copenhagen, phối hợp với thí nghiệm ALICE tại CERN đã cho oxy-16 và neon-20 tham gia những vụ va chạm năng lượng cực cao. Kết quả cho thấy các hạt rất nhẹ vẫn có thể tạo ra những dấu hiệu đặc trưng của vật chất giống plasma quark-gluon.
Đây là điểm đặc biệt của oxy và neon. Hạt nhân oxy có hình dạng tương đối tròn, trong khi hạt nhân neon-20 được dự đoán có dạng thuôn dài. Khi hai loại hạt nhân này va chạm, hình dạng ban đầu của chúng để lại những dấu ấn khác nhau trong chuyển động của các hạt sinh ra sau đó.
Với vật lý hạt nhân, hình dạng của hạt nhân phản ánh cách proton và neutron được sắp xếp bên trong và cung cấp thông tin về lực mạnh, một trong bốn lực cơ bản của tự nhiên và là lực giữ các thành phần của hạt nhân liên kết với nhau.
Với vũ trụ học, những thí nghiệm này giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn về Vũ trụ trong những khoảnh khắc đầu tiên sau Vụ Nổ Lớn. Các nhà nghiên cứu hiện muốn tiếp tục giảm kích thước của hệ va chạm, thậm chí thử nghiệm với những hạt nhân nhẹ hơn như heli-4. Mục tiêu là tìm ra ranh giới: cần tối thiểu bao nhiêu vật chất và năng lượng để tạo ra một giọt plasma quark-gluon?
Nếu xác định được giới hạn đó, các nhà vật lý không chỉ hiểu rõ hơn về cấu trúc của hạt nhân mà còn có thêm một “phòng thí nghiệm” để tái hiện những điều kiện cực đoan từng tồn tại khi Vũ trụ mới chỉ vài phần triệu giây tuổi.