Các nhà vật lý đến gần câu hỏi tồn tại hàng thập kỷ về neutron

Các nhà nghiên cứu đang thu hẹp khoảng cách khác biệt giữa những đo đạc về việc các hạt hạ nguyên tử tồn tại bao lâu.

Máy dò neutron siêu lạnh chính tại Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos, nơi các nhà vật lý nỗ lực tìm ra phép đo chính xác thời gian tồn tại của các hạt này. Nguồn: Los Alamos National Laboratory

Cuộc gặp ở Denver

Các nhà vật lý đang tiến gần tới câu trả lời cho một bí ẩn của vũ trụ vốn tồn tại đã lâu: một neutron tồn tại bao lâu.

Neutrons là các hạt trung hòa về điện tích thường kết hợp với các proton để tạo ra hạt nhân nguyên tử. Một vài neutron không liên kết trong các nguyên tử; các neutron trôi nổi tự do phân rã về phóng xạ thành các hạt khác trong một khoảng thời gian vật chất.

Nhưng các nhà vật lý không thể đồng nhất thời gian tồn tại chính xác của một neutron. Áp dụng một cách tiếp cận trong phòng thí nghiệm, họ đã đo đạc được thời gian tồn tại trung bình của neutron là 14 phút 39 giây. Với phương pháp tiếp cận khác, họ có thêm 8 giây nữa. Sự khác biệt đó đã làm các nhà nghiên cứu điêu đứng gần 15 năm mà không thể giải thích được.

“Chúng tôi không hiểu tại sao các kết quả này lại khác nhau đến thế,” Shannon Hoogerheide – một nhà vật lý tại Viện nghiên cứu Các tiêu chuẩn và Công nghệ quốc gia (NIST) tại Gaithersburg, Maryland, nói. “Chúng tôi thực sự cần biết chính xác thời gian và loại bỏ sự khác biệt này.” Chị và các nhà khoa học khác đã tranh luận về những cách thức mới để giải quyết vấn đè này vào ngày 13 và 14/4/2019 tại phiên họp của Hội Vật lý Mỹ ở Denver, Colorado.

Việc định vị được thời gian tồn tại của một neutron rất quan trọng nhằm hiểu có bao nhiêu hydrogen, helium và các nguyên tố nhẹ khác được hình thành từ vài phút đầu sau khi vũ trụ được sinh ra từ Big Bang, thời điểm 13,8 tỷ năm trước. Các nhà khoa học đã nghĩ rằng họ có thể theo đuổi một vài lĩnh vực vật lý mới nếu họ có thể “có được thông số chính xác về thời gian tồn tại của neutron, bởi vì nó có thể giúp họ chế ngự được phép đo đạc của các hạt hạ nguyên tử khác.

Đồng hồ hạ nguyên tử

James Chadwick đã khám phá ra neutron vào năm 1932, nhưng mãi tới năm 1951 thì các nhà nghiên cứu mới lần đầu tiên đo đạc được thời gian sống của loại hạt này, sử dụng các lò phản ứng hạt nhân để tạo ra các neutron tự do và dò xem chúng phân rã như thế nào. Các nhà vật lý đã tiếp tục nghiên cứu để ngày một tiến gần hơn đến câu trả lời – cho đến năm 2005, khi những đo đạc của họ trở nên đủ chính xác để mang đến một kết quả khác biệt 8 giây gây hoang mang. Nhưng họ không cảm thấy lo lắng về nó.

Một cách đếm thời gian tồn tại của neutron khác là đặt một số hạt vào một cái chai và đếm có bao nhiêu hạt còn lại sau một khoảng thời gian. Một số phòng thí nghiệm đã cố gắng áp dụng phương pháp “cái chai” đó, bao gồm Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos ở New Mexico và Viện nghiên cứu Laue–Langevin (ILL) ở Grenoble, Pháp. Tính trung bình, họ có được thời gian tồn tại của một neutron là 14 phút 39 giây.

Một cách khác là nạp các neutron vào một máy dò và đếm các hạt proton được tạo ra từ quá trình phân rã các hạt neutron. Phương pháp “chùm tia” này được NIST và Khu phức hợp nghiên cứu máy gia tốc Proton Nhật Bản ở Tokai áp dụng. Người Nhật mới tiến hành phương pháp này nhưng từ năm 2013, nhóm hợp tác ở NIST đã cho biết trung bình các neutron của họ “sống” lâu hơn 8 giây so với phương pháp cái chai.

Đây thực sự là vấn đề lớn bởi các đo đạc chùm tia và cái chai này đều rất chính xác, thậm chí ngay cả những giới hạn của các nhiễu đều được tính toán. Vì thế, các nhà vật lý đều tìm hiểu các cách giải thích tại sao các neutron có thể biến mất từ chai nhanh hơn từ chùm tia.

Sự khác thường lượng tử

Một khả năng có thể xảy ra là một trong hai phương pháp đo đạc đang tạo ra một vài lỗi nào đó. Trong trường hợp này, các nhà nghiên cứu có thể muốn kết hợp cả chùm tia và chai vào cùng một thiết bị. Tại phiên họp, nhà vật lý Zhaowen Tang ở Phòng thí nghiệm Los Alamos đã miêu tả cách các nhà nghiên cứu có thể đặt một máy dò hạt vào trong một cái bẫy neutron hình chai và đếm các neutron bằng cả hai phương pháp. Nhóm nghiên cứu của ông đang đề xuất kinh phí để bắt đầu lắp đặt thiết bị này.

Một khả năng khác là cách tiếp cận chùm tia và cái chai đều đo đạc thời gian tồn tại của neutron một cách chính xác nhưng một vài nguyên nhân chưa rõ trong tính toán đã tạo ra sự khác biệt giữa hai phép đo. Một ý tưởng gây chú ý là đôi khi các neutron có thể không chỉ phân rã thành các proton mà còn thành vật chất tối, một vật chất bí ẩn tạo ra vật chất của vũ trụ.

“Thật tuyệt vời nếu neutron mà chúng ta đã biết lại biến thành vật chất tối mà có thể mở ra các cánh cửa của phần còn chưa biết với chúng ta”, Bartosz Fornal – một nhà vật lý lý thuyết tại trường đại học California, San Diego từng ủng hộ đề xuất này vào năm ngoái. Nhưng cho đến nay các nhà thực nghiệm vẫn chưa đủ khả năng để xác nhận là liệu điều này có thể xảy ra hay không, theo quan điểm của nhiều nhóm nghiên cứu trong cuộc họp ở Denver.

Trong lúc đó, thực nghiệm chùm tia ở NIST đã tập hợp được một bộ dữ liệu tốt, sử dụng các máy dò có độ nhạy cao và các hợp phần khác sẽ được tiến hành với độ chính xác cao hơn trước – đo đạc được thời gian tồn tại của neutron trong phạm vi 1 giây chứ không phải từ 3 đến 4 giây như các thí nghiệm trước. “Mọi người chờ đợi kết quả từ bây giờ,” Nadia Fomin – một nhà vật lý tại trường đại học Tennessee ở Knoxville, nói. Và nhóm nghiên cứu ở NIST đang thiết kế thí nghiệm tiếp theo, với mục tiêu đếm bằng được thời gian tồn tại của neutron trong phạm vi 0,3 giây.

“Chúng tôi đang trên đường tăng độ chính xác lên”, Peter Geltenbort – một nhà vật lý tại ILL, nói.

Thanh Phương dịch

Nguồn: https://www.nature.com/articles/d41586-019-01203-9