CỚ SAO CHƯA NHÌN THẤY ĐƯỢC CÁC QUARK ?
Sau khi khám phá tính chất tự do tiệm cận thì mô hình quark và sắc động lực học lượng tử đã được mọi người thừa nhận. Vấn đề là ngay sau khi sáng tạo ra mô hình quark, đã xuất hiện câu hỏi: vì sao các quark chưa được quan sát trên thực nghiệm? Những tưởng rằng, cứ đập mạnh thêm là có thể nghiền được proton thành ba hạt quark cấu tạo nên nó. Trong những năm 60 - đầu những năm 70 của thế kỷ trước, người ta đã xây dựng các máy gia tốc cho phép nghiên cứu va chạm của các proton có năng lượng nhiều lần lớn hơn khối lượng nghỉ của proton. Thế nhưng chưa một ai có thể đập vỡ được proton thành các quark.
Dẫu sao thì liệu đã có lúc nào trong lịch sử Vũ trụ các quark từng tồn tại tự do? Đương nhiên là có và điều đó xảy ra vào những khoảnh khắc đầu tiên sau Vụ Nổ Lớn, đã sinh ra Vũ trụ của chúng ta chừng 12 - 15 tỷ năm về trước. Khi dó, các hạt đã có các năng lượng (~1015GeV) lớn đến mức các quark còn chưa thể tạo thành các hệ bền vững - các hađron. Về sau, khi Vũ trụ nở ra và nguội đi, các quark và phản quark đã kết hợp thành các baryon và meson. Các hạt này nhanh chóng phân rã. Các baryon còn vương lại trong thời kỳ này đã cấu thành vật chất của Vũ trụ.
Tuy nhiên trong quá trình tạo ra hađron ít ra cũng có một phần không lớn các quark không có các hạt đồng hành. Chính các quark ''ở vùng ngoại biên'' như thế vẫn còn cơ hội sống sót đến tận ngày nay. Ya. B. Zeldovich, L. B. Okun và S. D.Pikelner đã tiến hành tính toán nồng độ mong đợi các quark tự do trong vật chất thông thường. Kết quả thật đáng sửng sốt: nồng độ quark còn lớn hơn nồng độ vàng. Khó nhìn thấy được các quark tự do, vì một quark riêng lẻ là một hạt rất dễ thấy, lại có điện tích phân số (2/3 hay 1/3 điện tích electron). Nhưng các cuộc tìm kiếm các quark tự do vẫn không có kết quả.
Giải thích sao đây sự vắng mặt của các quark tự do và tính bền vững bất thường của các hađron? Vì sao ngay cả khi bị va đập rất mạnh các hađron cũng không vỡ thành các quark cấu thành chúng? Tính chất tự do tiệm cận sẽ trả lời cho những câu hỏi này.
Ta hãy lấy ví dụ meson, được tạo thành từ một quark và một phản quark. Điều gì sẽ xảy ra, nếu nhờ tác động ngoài thử đập vỡ meson thành các hợp phần? Không thể tách riêng được quark và phản quark, vì rằng khoảng cách giữa chúng càng lớn thì chúng hút nhau bằng lực công mạnh. Các dây gluon kết hợp các quark trong các hađron bị căng ra ngày càng mạnh
hơn. Mưu toan làm đã các dây này sẽ đưa đến việc sinh các meson mới chứ không dẫn tới việc giải phóng các quark khỏi thân phận tù chung thân của chúng trong các hađron.
Như vậy, tính chất tự do tiệm cận ở các năng lượng đạt được trên Trái Đất loại trừ khả năng các quark được giải phóng khỏi các hađron. Hiện tượng này được gọi là ''confinement'' (sự cầm tù).
Thế còn các lực kết hợp các proton và nơtron thành hạt nhân nguyên tử? Trước khi thiết lập sắc động lực học lượng tử người ta đã đồng nhất chúng với tương tác mạnh. Hiện nay, đã hiểu ra rằng các lực tương tác giữa các hađron trong hạt nhân là do sự bất đối xứng trong phân bố các tích mầu bên trong hạt nhân gây ra, mặc dù chúng rất mạnh, cũng chỉ có một sự tương tự nho nhỏ với tương tác mạnh này là giữ các quark trong proton.
Quả thật, năng lượng cỡ 10 MeV cho phép phá vỡ hạt nhân thành các nucleon riêng lẻ. Còn để xé lẻ proton thành các quark cấu tạo nên nó thì một năng lượng hàng triệu triệu megaelectronvon (MeV) vẫn chưa đủ.
