Phương pháp mới tìm kiếm sự chệch hướng khỏi Mô hình chuẩn

Trong cuộc tìm kiếm hạt mới và lực mới của tự nhiên, các nhà vật lý trên đường săn tìm các hành xử bê trong các hạt nhân và phân tử nằm ngoài phạm vi kiểm chứng của Mô hình chuẩn trong vật lý hạt. Bất kỳ sự chệch hướng nào khỏi mô hình này cũng có thể chỉ dấu những gì các nhà vật lý vẫn khao khát, “thứ vật lý mới”.

Trợ lý giáo sư vật lý ở Caltech Nick Hutzler và nhóm nghiên cứu của anh đang theo đuổi những dạng cụ thể của những thứ chệch hướng có thể giúp giải quyết điều bí ẩn của vấn đề tại sao lại có nhiều vật chất đến thế trong vũ trụ của chúng ta. Khi vũ trụ của chúng ta ra đời vào 14 tỉ năm trước, vật chất và “đối tác” của nó, phản vật chất, dược tin là tồn tại ở mức cân bằng.

Cụ thể hơn, vật chất và phản vật chất triệu tiêu nhau nhưng một số dạng bất đối xứng tồn tại giữa những dạng hạt khác là nguyên nhân dẫn đến việc vật chất lấn át phản vật chất. Nhóm nghiên cứu của Hutzler thường sử dụng các thực nghiệm quy mô nhỏ (tabletop experiments) thường được thiết kế trên những ý tưởng độc đáo và phương pháp thực nghiệm đa dạng để tìm kiếm hiện tượng chưa biết. Hutzler muốn tìm kiếm những vi phạm đối xứng – những hành xử của các hạt chệch hướng có thể dẫn đến sự bất đối xứng của vật chất trong vũ trụ.

Hiện tại, trong bài báo xuất bản trên tạp chí Physical Review Letters 1, nhóm nghiên cứu do Chi Zhang, postdoc nhận học bổng nghiên cứu David và Ellen Lee tại Caltech dẫn dắt, đã phác họa ra một cách cải thiện nghiên cứu của họ bằng việc sử dụng hiện tượng rối, một hiện tượng của vật lý lượng tử chỉ sự ràng buộc giữa hai hạt ở cách xa nhau, bất kể không có tiếp xúc trực tiếp. Nghiên cứu này có tên “Quantum-Enhanced Metrology for Molecular Symmetry Violation using Decoherence-Free Subspaces” (Đo lường tăng cường lượng tử cho vi phạm đối xứng phân tử bằng các không gian con phi mất mát liên kết).

Trong trường hợp này, các nhà nghiên cứu đã phát triển một phương pháp mới cho các chuỗi rối [lượng tử] của các phân tử, vốn có vai trò như những thí nghiệm chứng minh sự đo lường các vi phạm đối xứng. Với tính chất rối của các phân tử, các chuỗi đó trở nên itsn hạy hơn với nhiễu nền có thể làm nhiễu thực nghiệm và thêm nhạy hơn với tín hiệu mong muốn.

“Việc này giống như nỗ lực neo một đàn vịt cao su lại với nhau”, Hutzler giải thích. “Nếu anh muốn đo lường chuyển động của các con vịt được gắn kết lại với nhau bằng một sợi dây và bập bềnh trong một cái chậu, nó có thể kém nhạy hơn với nhiễu nền của sóng nước đang bắn tung tóe trong chậu. Và chúng cũng nhạy hơn với những gì bạn muốn đo đạc như dòng điện do chúng sẽ phản hồi với tất cả những hành vi thu thập”.

“Chúng tôi muốn nhạy hơn với cấu trúc của các phân tử”, Zhang nói. “Điện trường và điện từ thiếu kiểm soát trong thiết kế thực nghiệm sẽ cản trở những đo lường của chúng tôi nhưng giờ thì chúng tôi có một giao thức mới cho rối lượng tử của các phân tử theo cách có thể khiến chúng bớt nhạy hơn với nhiễu”.

Cụ thể hơn, phương pháp mới có thể hữu dụng để nhìn vào những độ lệch nhỏ nhất trong các electron, vốn có thể xuất hiện khi phản hồi với điện trường bên trong các phân tử. “Những chuyển động quay rất nhỏ có thể chỉ dấu các electron hay các spin của hạt nhân tương tác với điện trường, và đó là điều Mô hình chuẩn không lý giải được”, Hutzler nói.

“Những cách tiếp cận khác sử dụng rối lượng tử có thể làm tăng độ nhạy của nhiễu”, anh nói thêm, “Chi đã phác họa ra một cách để giảm nhiễu trong khi vẫn giúp tăng độ nhạy cho chúng tôi”.

Một thực nghiệm khác gần đây được xuất bản trên tạp chí Science 2, do Hutzler và John M. Doyle của trường đại học Harvard, đã chứng tỏ là các phân tử đa nguyên tử được sử dụng trong những nghiên cứu dạng đó có những năng lực độc đáo khác tự che chắn mình khỏi nhiễu điện từ, không cần thúc đẩy độ nhạy từ rối lượng tử.

Trong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu chứng tỏ họ có thể chỉnh độ nhạy của các phân tử tới ngoại trường và trên thực tế khiến độ nhạy biến mất, do đó khiến cho các phân tử miễn nhiễm nhiều hơn với nhiễu.

“Với những tiên tiến của rối lượng tử, các nhà nghiên cứu có thể thúc đẩy các thực nghiệm để chứng minh ngày một gia tăng các khía cạnh lạ của thứ vật lý mới”, Hutzler nói.

Anh Vũ tổng hợp

Nguồn: https://www.caltech.edu/about/news/entanglement-to-the-rescue

https://phys.org/news/2023-11-scientists-method-deviations-standard-physics.html

—————————————–

1. DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.193602

2.DOI: 10.1126/science.adg8155

Tác giả