Lần đầu tiên xác nhận vật chất “lạ” bằng thực nghiệm

Các nguyên tử “lạ” có các electron được thay thế bằng các hạt hạ nguyên tử cùng điện tích cho phép các nhà nghiên cứu nhìn sâu vào thế giới lượng tử. Sau tám năm nghiên cứu, một nhóm các nhà nghiên cứu do nhà vật lý Masaki Hori tại Viện nghiên cứu Quang lượng tử Max Planck ở Garching, Đức, dẫn dắt đã thành công với một thí nghiệm đầy thách thức.

Thí nghiệm mà họ thực hiện là trong một nguyên tử helium atom, họ thay thế một electron bằng một pion trong một trạng thái lượng tử đặc biệt và lần đầu tiên, xác thực sự tồn tại của heli pion có thời gian tồn tại dài này. Với cách làm này, pion vốn có thời gian “sống” ngắn có thể tồn tại lâu hơn 1000 lần so với những vật chất thông thường. Các pion thuộc về một họ các hạt quan trọng, được quyết định sự ổn định và phân rã của các hạt nhân nguyên tử. Nguyên tử heli pion có thể cho phép các nhà khoa học nghiên cứu về các pion trong một phương thức vô cùng chính xác là sử dụng quang phổ laser.

 Nghiên cứu này được xuất bản trên Nature với tiêu đề “Laser spectroscopy of pionic helium atoms”. 

Trong vòng tám năm, nhóm nghiên cứu đã kiên trì thực hiện thí nghiệm đầy thách thức này, thí nghiệm được đánh giá là có tiềm năng mở ra một lĩnh vực nghiên cứu mới. Họ đã trở thành những người đầu tiên chứng minh được các hạt heli pion thực sự tồn tại. “Đây là một hình thức của phản ứng hóa học xảy ra một cách tự động”, Hori giải thích. Nguyên tử “lạ” này được dự đoán về mặt lý thuyết vào năm 1964 sau các thí nghiệm được thực hiện vào thời điểm đó chỉ có thể ra có sự tồn tại của nó. Dù vậy thì vẫn còn vô cùng khó khăn để chứng tỏ dự đoán này về mặt thực nghiệm. Thông thường trong một nguyên tử, pion tồn tại trong khoảng thời gian cực ngắn và phân rã một cách nhanh chóng. Trong heli pion, có thể nó được duy trì trong khoảng thời gian lâu hơn 1000 lần so với các nguyên tử khác.

“Súng phun khói”

Thách thức mà nhóm nghiên cứu phải đối mặt trong tám năm là chứng minh rằng một heli pion tồn tại trong một bể chứa đầy heli siêu lỏng và lạnh. Trong nguyên tử heli này, pion hành xử như một electron rất nặng. Nó chỉ có thể nhảy giữa các trạng thái lượng tử rời rạc, tương tự như việc trèo lên từng bậc thang dây. Nhóm nghiên cứu phải tìm ra một trạng thái tồn tại trong thời gian dài và một bước nhảy lượng tử đặc biệt, trong đó họ kích thích một tia laser và có thể “giật” pion nhảy vào các hạt nhân heli và phá hủy nguyên tử đó như một “khẩu súng phun khói”. Sau đó, nhóm nghiên cứu dò mảnh vỡ từ các hạt nhân bị phá vỡ đó. Dẫu vậy thì các nhà lý thuyết không thể dự đoán một cách chính xác tại điểm nào bước sóng ánh sáng của bước nhảy lượng tử xuất hiện. Vì vậy nhóm nghiên cứu đã phải lắp đặt ba hệ laser phức hợp, cái nọ nối tiếp cái kia, cho đến khi họ thành công.

“Thành công này mở ra những con đường hoàn toàn mới để tìm hiểu về các pion với những phương pháp quang lượng tử”, Hori nói. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng quang phổ laser, một trong những công cụ chính xác bậc nhất của vật lý. Do đó, các pion trong các trạng thái lượng tử có thể được nghiên cứu với độ chính xác cao hơn so với trước đây.

Một cánh cửa mới vào vũ trụ lượng tử

Pion thuộc về họ các hạt được gọi là các hạt meson. Chúng là các hạt trung gian trong lực tương tác mạnh giữa các khối cơ bản của hạt nhân nguyên tử là các neutron và các proton. Dẫu các proton có cùng điện tích đẩy nhau một cách dữ dội nhưng lực tương tác hạt nhân mạnh hơn đã liên kết chúng với nhau để hình thành các hạt nhân nguyên tử. Không có lực này, thế giới của chúng ta không thể tồn tại. Các hạt meson về cơ bản khác biệt với các proton và neutron – thường được tạo ra bằng ba hạt quark, trong khi các hạt meson chỉ bao gồm hai quark.

Thí nghiệm của các nhà nghiên cứu Viện nghiên cứu Quang lượng tử Max Planck đã được hình thành với việc sử dụng nguồn pion mạnh bậc nhất thế giới, vốn được đặt tại Viện nghiên cứu Paul Scherrer (PSI). Do sự rủi ro của thất bại ở mức rấy cao và trên đường tới thành công “hứa hẹn” vô số thất bại nên nhóm nghiên cứu đã cần sự ủng hộ dài hạn của cả PSI và Hội Max Planck (MPG). PSI hỗ trợ họ việc thực hiện thí nghiệm trên thiết bị tạo nguồn pion, các nhóm hỗ trợ kỹ thuật tại CERN cung cấp một phần quan trọng về thiết bị thí nghiệm, còn MPG tạo điều kiện nghiên cứu dài hạn. Quan trọng không kém, dự án này được Hội đồng nghiên cứu châu Âu (European Research Council ERC) tài trợ kinh phí.

TS. Hori hi vọng nghiên cứu này sẽ mở ra một cánh  cửa mới vào vũ trụ lượng tử với các hạt và lực tương tác.

Thanh Nhàn dịch

Nguồn: https://phys.org/news/2020-05-long-lived-pionic-helium-exotic-experimentally.html