TRUNG HỌC DUY TÂN - PHAN RANG

[Mây tím]

Phản vật chất là gì? Có bằng chứng cho thấy phản vật chất được tạo ra trong giông bão (Thomas Bresson, CC BY 2.0) Phản vật chất là một trong những khám phá vật lý gây hứng thú nhất của thế kỷ 20. Mặc dù được các tiểu thuyết gia như Dan Brown nhắc đến, nhưng nhiều người nghĩ về nó như một ý tưởng lý thuyết “xa lạ nào đó” – mà không biết là thực ra nó đang được sản sinh mỗi ngày. Hơn nữa, nghiên cứu về phản vật chất thực sự đang giúp chúng ta hiểu được vũ trụ hoạt động như thế nào. Phản vật chất bao gồm những hạt tử gọi là các phản hạt. Các nhà vật lý tin rằng mỗi hạt chúng ta biết đều có một người bạn phản vật chất hầu như giống hệt với chính nó, nhưng có điện tích trái dấu. Ví dụ, một electron có điện tích âm nhưng phản hạt của nó, được gọi là positron, có cùng khối lượng nhưng mang điện tích dương. Khi một hạt và phản hạt của nó gặp nhau, chúng triệt tiêu lẫn nhau và biến mất trong một vụ nổ tóe ánh sáng. Những hạt như vậy lần đầu tiên được dự đoán bởi nhà vật lý người Anh Paul Dirac khi ông đang cố tìm cách kết hợp hai ý tưởng tuyệt vời về vật lý hiện đại thuở sơ khai: thuyết tương đối và cơ học lượng tử. Trước đây, các nhà khoa học đã gặp phải một vấn đề nan giải là dường như nếu kết hợp 2 học thuyết trên thì có thể dự đoán rằng các hạt có thể có năng lượng thấp hơn so với khi chúng ở trạng thái “nghỉ ” (tức là gần như không làm gì cả). Điều này dường như không thể xảy ra được vào thời điểm đó, vì như thế có nghĩa là có tồn tại các nguồn năng lượng âm. Tuy nhiên, Dirac lại cho rằng các phương trình đang mách bảo với ông rằng các hạt thực sự đang đầy ắp cả một “biển” những năng lượng âm – điều mà cho đến lúc đó vẫn còn là điều vô hình đối với các nhà vật lý vì họ chỉ đang tìm kiếm “ở trên bề mặt”. Ông đã hình dung rằng tất cả các mức năng lượng tồn tại “bình thường” được giải thích bởi các hạt “bình thường”. Tuy nhiên, khi một hạt nhảy lên khỏi “mức biển”, nó trở thành một hạt bình thường nhưng để lại một “lỗ”, mà có vẻ như đối với chúng ta, chúng giống như một loại hạt tương phản kỳ lạ – hạt phản vật chất. Bất chấp thái độ hoài nghi ban đầu, những ví dụ về các cặp hạt-phản hạt này đã sớm được tìm thấy. Ví dụ, chúng được tạo ra khi các tia vũ trụ va vào bầu khí quyển của Trái đất. Lại có bằng chứng cho thấy năng lượng trong các trận giông bão sản sinh ra các hạt phản-electron, được gọi là positron. Những hạt này cũng được sinh ra trong một số phân rã phóng xạ, một quá trình được sử dụng trong nhiều bệnh viện ở các máy quét (scanner) Positron Emission Tomography (PET), cho ra hình ảnh chính xác trong cơ thể con người. Ngày nay, những thí nghiệm tại Máy gia tốc hạt Large Hadron Collider (LHC) cũng có thể sản xuất ra vật chất và phản vật chất. Bí ẩn về Vật chất – Phản vật chất Vật lý học tiên đoán rằng vật chất và phản vật chất phải được tạo ra với số lượng gần như bằng nhau, đặc biệt là trong quá trình xảy ra vụ nổ Big Bang. Hơn nữa còn có dự đoán rằng các định luật vật lý đối với các hạt cũng áp dụng được trên phản hạt của nó – một mối quan hệ được gọi là sự đối xứng CP (CP symmetry). Tuy nhiên, vũ trụ mà chúng ta thấy dường như không tuân theo những quy tắc này. Nó gần như hoàn toàn được làm bằng vật chất, vậy tất cả các phản vật chất đã đi đâu mất rồi? Cho đến nay điều này vẫn là một trong những bí ẩn lớn nhất trong vật lý. khu vực thực nghiệm tại CERN bao gồm cả thử nghiệm alpha. (Mikkel D. Lund, CC BY-SA 4.0) Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng một số quy trình phân rã phóng xạ không sản sinh ra một lượng bằng nhau các phản hạt và hạt. Nhưng điều đó là không đủ để giải thích sự chênh lệch giữa số lượng vật chất và phản vật chất trong vũ trụ. Do đó, các nhà vật lý như bản thân tôi chẳng hạn đang thực hiện các thí nghiệm tại LHC (Large Hadron Collider), về ATLAS, CMS và LHCb, và những người khác nữa cũng làm các thí nghiệm với neutrino như T2K ở Nhật Bản, đều đang tìm kiếm các quá trình khác mà có thể giải thích câu đố này. Những nhóm các nhà vật lí khác như Alpha Collaboration tại CERN đang làm việc tại mức năng lượng thấp hơn nhiều để xem các tính chất của phản vật chất thực sự có phải là phản chiếu của các hạt vật chất tương ứng hay không. Những kết quả mới nhất của họ cho thấy rằng một nguyên tử phản-hydro (được tạo thành từ một anti-proton và một anti-electron tức là positron) là trung hòa điện (không mang điện tích) với độ chính xác ít hơn một phần tỷ điện tích của một electron. Kết hợp với các phép đo khác, điều này hàm ý rằng positron tích điện trái dấu và có độ lớn điện tích bằng với điện tích của electron với sai số nhỏ hơn một phần tỷ – qua đó xác nhận những gì được mong đợi về phản vật chất. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều bí ẩn lớn. Các thí nghiệm cũng đang khảo sát xem trọng lực có ảnh hưởng đến phản vật chất giống như cách mà nó ảnh hưởng đến vật chất hay không. Nếu những sự đối xứng chính xác này bị phá vỡ, thì sẽ cần đến một sự cải tổ cơ bản trong ngành vật lý, điều đó không chỉ ảnh hưởng đến vật lý cao năng lượng mà còn đến cả sự hiểu biết của chúng ta về lực hấp dẫn và thuyết tương đối. Bằng cách này, các thí nghiệm về phản vật chất đang cho phép chúng ta đặt sự hiểu biết của chúng ta về các hoạt động cơ bản của vũ trụ vào những thử nghiệm mới mẻ và thú vị. Ai mà biết được chúng ta sẽ tìm thấy được những gì? Roger Jones là giáo sư vật lý và trưởng Khoa tại Đại học Lancaster ở Anh. Tác giả: Roger Jones Dịch giả: Ngọc Yến Nguồn: vietdaikynguyen.com