Khám phá các hạt nhân phản vật chất lạ mới nặng nhất
Dò theo đường đi của các hạt sinh ra từ sáu tỉ va chạm của hạt nhân nguyên tử tại máy gia tốc Ion nặng tương đối luận (RHIC) – một thiết bị ‘va chạm nguyên tử” có thể tái tạo ra các điều kiện của vũ trụ sớm – các nhà khoa học đã khám phá ra một dạng hạt nhân phản vật chất mới, loại nặng nhất mà chúng ta từng phát hiện ra.
Những vật thể nhỏ bé, có thời gian sống cực ngắn đều được tạo ra từ những hạt phản vật chất lạ.
Một thế giới gương bị mất
Ý tưởng về phản vật chất đã tồn tại cả thế kỷ. Năm 1928, nhà vật lý Anh Paul Dirac đã phát triển một lý thuyết vô cùng chính xác về hành xử của các electron, tạo nên một dự đoán làm náo động cả giới vật lý: sự tồn tại của các electron năng lượng âm có thể khiến vũ trụ bền vững mà chúng ta đang sống có thể không tồn tại.
Sau đó thật may mắn là các nhà vật lý đã tìm thấy một lời giải thích có thể cho các trạng thái ‘năng lượng âm’: các phản electrons, hoặc hạt sinh đôi của electron với năng lượng đối nghịch. Các phản electron đã được phát hiện trong các thực nghiệm năm 1932, và từ đó các nhà khoa học đã tìm thấy tất cả các hạt cơ bản đều có phản hạt của chúng.
Tuy nhiên một câu hỏi khác dấy lên. Phản electron, phản proton và phản neutron phải có khả năng kết hợp với toàn bộ phản nguyên tử và thậm chí phản hành tinh và phản thiên hà. Những gì tiếp theo là lý thuyết của chúng ta về Big Bang đề xuất một lượng tương đương vật chất và phản vật chất phải được tạo ra tại điểm khởi nguyên của vũ trụ.
Mọi nơi chúng ta tìm kiếm, chúng ta chỉ thấy vật chất – và chỉ một lượng không đáng kể vật chất. Vậy phản vật chất đi đâu? Đó là câu hỏi mà các nhà khoa học đi tìm cả thế kỷ.
Các mảnh của các hạt nhân va chạm
Những kết quả của thực nghiệm STAR tại Brookhaven mở ra một vài chuyển động. Các thành viên của Nhóm hợp tác STAR của RHIC đã có được khám phá này bằng cách sử dụng máy dò hạt có kích thước bằng cả văn nhà để phân tích các chi tiết của các mảnh vụn va chạm. Họ công bố các kết quả thu được trong bài báo xuất bản trên tạp chí Nature và giải thích cách họ đã sử dụng các phản hạt lạ đó để tìm kiếm sự khác biệt giữa vật chất và phản vật chất 1.
“Hiểu biết vật lý của chúng ta về vật chất và phản vật chất là ngoại trừ việc trái ngược về điện tích, phản vật chất có cùng những đặc tính như vật chất – cùng khối lượng, cùng thời gian sống trước khi phân rã, và cùng các tương tác”, Junlin Wu, một thành viên của nhóm hợp tác STAR và sinh viên tại Khoa hợp tác về vật lý hạt nhân, ĐH Lan Châu và Viện Vật lý hiện đại, Trung Quốc, nói.
Nhưng thực tế là vũ trụ của chúng ta được làm từ vật chất hơn là phản vật chất, ngay cả khi cả hai đều được tin là có số lượng tương đương nhau ở thời điểm Big Bang khoảng 14 tỉ năm trước.
“Tại sao vật chất lấn át trong vũ trụ của chúng vẫn còn là một câu hỏi, và chúng ta vẫn chưa biết câu trả lời đầy đủ”, Wu nói.
RHIC, một cơ sở nghiên cứu của Văn phòng Khoa học Bộ Năng lượng Mỹ (DOE) tại Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven DOE, một nơi được trang bị tốt để nghiên cứu về phản vật chất. Những va chạm ion nặng của nó – các hạt nhân nguyên tử dễ bị mất các electron và gia tốc chúng tới gần tốc độ ánh sáng – làm tan rã các đường biên của từng proton và neutron của các ion.
Năng lượng tích lũy trong “nồi súp” của các quark và gluon tự do, những khối cơ bản nhất của vật chất hữu hình, tạo ra hàng trăm hạt mới. Và giống như vũ trụ sớm, RHIC khiến cho vật chất và phản vật chất ở mức gần như tương đương nhau.
So sánh các đặc điểm của các hạt vật chất và phản vật chất tạo ra trong các va chạm hạt đó có thể đưa ra những manh mối của một số bất đối xứng bao phủ lên sự cân bằng của vũ trụ sớm để tạo điều kiện có lợi cho sự tồn tại lấn át của vật chất trong thế giới ngày nay.
Dò phản vật chất nặng
“Để nghiên cứu về bất đối xứng vật chất – phản vật chất, bước đầu tiên là khám phá ra những hạt phản vật chất mới”, nhà vật lý của STAR Hao Qiu, thầy hướng dẫn của Wu tại IMP, nói. “Đó là logic cơ bản của nghiên cứu này”.
Các nhà vật lý ở STAR trước đây đã từng quan sát hạt nhân của phản vật chất được tạo ra trên các cuộc va chạm ở RHIC. Vào năm 2010, họ đã dò được phản siêu triton. Đây là ví dụ đầu tiên về một hạt nhân phản vật chất chứa một hyperon, vốn là một hạt chứa ít nhất một quark lạ chứ không phải là các quark lên và xuống nhẹ hơn, vốn là những khối hình thành nên các proton và neutron.
Chỉ một năm sau, các nhà vật lý của STAR đã xô đổ điều này khi ghi nhận được phản vật chất nặng với việc dò ra phản vật chất tương đương với hạt nhân helium: phản helium-4.
Và phân tích gần đây đã đề xuất, phản siêu hydrogen-4 có thể cũng nằm trong tầm với của họ. Nhưng việc dò ra các hạt phản siêu hạt nhân không bền – nơi sự bổ sung một phản hyperon (cụ thể là một hạt phản lambda) vào một trong số các proton của phản helium có thể một lần nữa sẽ vượt qua kỷ lục hạt nặng – có thể là một sự kiện hiếm gặp.
Nó đòi hỏi cả bốn thành phần – một phản proton, hai phản neutron, và một phản lambda – được phát ra từ “nồi súp” quark-gluon được tạo ra trên các va chạm RHIC ở đúng vị trí, theo cùng hướng, và tại thời gian phù hợp để tập hợp với nhau trong một trạng thái liên kết theo thời gian.
“Chỉ ngẫu nhiên thì mới có bốn hạt cấu thành xuất hiện từ những va chạm ở RHIC đủ gần nhau để có thể kết hợp và hình thành một phản siêu hạt nhân”, Lijuan Ruan, nhà vật lý ở Brookhaven Lab và là đồng phát ngôn của nhóm hợp tác STAR.
Cái kim trong một đống “pi”
Để tìm phản siêu hydrogen-4, các nhà vật lý STAR tìm kiếm theo đường đi của phân rã các hạt phản siêu hạt nhân không bền. Một trong những phân rã đó trước đây dò được các hạt nhân của phản helium-4; một phân ra là một hạt điện tích dương đơn giản gọi là một pion (pi+).
“Kể từ khi phản helium-4 được STAR khám phá, chúng tôi thường sử dụng phương pháp tương tự mà chúng tôi đã dùng để lựa chọn ra các sự kiện đó và tái cấu trúc chúng với các đường đi của pi+ để tìm kiếm các hạt”, Wu nói.
Bằng việc tái cấu trúc, ông đã dò lại quỹ đạo của phản helium-4 và các hạt pi+ để xem liệu chúng có xuất hiện từ một điểm không. Nhưng các va chạm ở RHIC tạo ra rất nhiều pion. Và để tìm các phản siêu hạt nhân hiếm, các nhà khoa học đã phải chọn từ hàng tỉ tỉ sự kiện va chạm! Mỗi sự xuất hiện của phản helium-4 từ một va chạm có thể được kết cặp với hàng trăm hoặc thậm chí 1.000 hạt pi+.
“Chìa khóa của việc lựa chọn là tìm những sự kiện nơi đường đi của hai hạt có một điểm giao cắt, hoặc đỉnh phân rã, với những đặc trưng cụ thể”, Ruan nói. “Đó là, đỉnh phân rã phải đủ xa điểm va chạm mà hai hạt có thể bắt nguồn từ phân rã của một hạt phản siêu hạt nhân được hình thành sau va chạm của các hạt ban đầu được tạo ra trong ‘nồi súp’ đó”.
Nhóm nghiên cứu STAR đã làm việc cật lực để có thể loại đi các cặp phân rã tiềm năng khác. Cuối cùng, phân tích của họ xác định được 22 sự kiện tiềm năng.
“Điều đó có nghĩa là sáu trong số các sự kiện giống như những phân rã từ phản siêu hydrogen-4 đó có thể chỉ là nhiễu ngẫu nhiên”, theo Emilie Duckworth, một nghiên cứu sinh thái trường đại học bang Kent và đảm trách phần việc dùng mã máy tính tách tất cả các sự kiện này và chọn ra các tín hiệu chính xác.
Từ 22 sự kiện nền, các nhà khoa học đã tin là dò được khoảng hạt nhân phản siêu hydrogen-4.
So sánh vật chất – phản vật chất
Kết quả này đã đủ ý nghĩa để nhóm STAR đi đến một số so sánh trực tiếp vật chất – phản vật chất.
Họ so sánh vòng đời của phản siêu hydrogen-4 với siêu hydrogen-4, vốn được tạo ra từ những biến thiên vật chất thông thường của cùng các khối cơ bản. Họ cũng so sánh vòng đời của những cặp vật chất – phản vật chất khác: phản siêu triton và siêu triton.
Cả hai đều không có sự khác biệt đáng kể, điều này không khiến cho các nhà khoa học thấy ngạc nhiên.
Các thí nghiệm, họ giải thích, là một thử nghiệm của một hình thức đối xứng. Các nhà vật lý nhìn chung đồng ý với nhau là một vi phạm đối xứng như thế này có thể vô cùng hiếm và sẽ không có câu trả lời cho sự bất cân bằng vật chất – phản vật chất trong vũ trụ.
“Nếu chúng ta từng thấy một vi phạm của đối xứng cụ thể như vậy, về cơ bản chúng ta đã ném đi những gì mình biết về vật lý qua cửa sổ”, Duckworth ví von.
Vì vậy trong trường hợp này, có một chút an ủi là đối xứng vẫn tồn tại. Nhóm nghiên cứu đồng ý với những kết quả xác nhận là các mô hình vật lý đều chính xác và là ‘một bước tiếp theo trong nghiên cứu về mặt thực nghiệm về phản vật chất”.
Bước tiếp theo sẽ là đo đạc sự khác biệt về khối lượng giữa các hạt và phản hạt, vốn là điều Duckworth đang theo đuổi.
Bội Linh tổng hợp
Nguồn: https://www.bnl.gov/newsroom/news.php?a=121912
—————————————
1.https://www.nature.com/articles/s41586-024-07823-0
