Mô hình Chuẩn được xây dựng dựa trên hai bước tiến mang tính cách mạng của vật lý thế kỷ 20: cơ học lượng tử và thuyết tương đối hẹp của Einstein.
Trong Mô hình chuẩn, hạt cơ bản - các hạt hạ nguyên tử không thể bị phân chia thành các đơn vị nhỏ hơn nữa - là những viên gạch nhỏ nhất cấu thành nên vật chất; còn các lực hấp dẫn, lực điện từ, lực yếu và lực mạnh là bốn lực cơ bản chi phối cách các hạt cơ bản tương tác.
Dù vẫn không giải thích được lực hấp dẫn hay vật chất tối - dạng vật chất vô hình đến nay vẫn chưa được quan sát trực tiếp và chiếm khoảng 25% vũ trụ, suốt nửa thế kỷ qua, Mô hình chuẩn vẫn được xem là khuôn khổ lý thuyết chủ đạo của vật lý hiện đại, giúp chúng ta diễn giải tốt nhất về các hạt và lực cơ bản.
Thí nghiệm LHCb là một thí nghiệm chuyên phân tích các va chạm của proton tại Máy gia tốc hạt lớn. Máy gia tốc này được Tổ chức Nghiên cứu hạt nhân châu Âu CERN xây dựng trong một đường hầm hình tròn dài 27 km dưới lòng đất tại biên giới Pháp - Thụy Sĩ và đưa vào vận hành chính thức từ năm 2008. Ảnh: CERN.
Kiểm tra mô hình chuẩn
Để kiểm chứng và phát hiện ra những kẽ hở của mô hình chuẩn, các nhà nghiên cứu đã cho các chùm hạt proton di chuyển ngược chiều nhau va chạm với nhau trong các thí nghiệm tại máy gia tốc hạt khổng lồ LHC (Large Hadron Collider).
Nhưng dù biết rằng Mô hình chuẩn chưa hoàn chỉnh, đồng thời cũng đã thực hiện rất nhiều thử nghiệm nghiêm ngặt trong 50 năm qua, các nhà vật lý hạt vẫn chưa tìm ra được một lỗ hổng nào của mô hình.
Tuy nhiên, điều này có thể sẽ thay đổi. Mới đây, các nhà khoa học đã phát hiện ra cách các hạt hạ nguyên tử có tên meson B phân rã thành những hạt khác trong thực tế không khớp với những gì Mô hình Chuẩn dự đoán. Kết quả nghiên cứu đã được công bố trong bài báo trên tạp chí Physical Review Letters.
Theo TS William Barter (Đại học Edinburgh, Anh) và TS Mark Smith (Đại học Hoàng gia London, Anh), các nhà khoa học đã phát hiện ra kết quả mới khi nghiên cứu một quá trình hiếm gọi là "phân rã điện yếu penguin" (electroweak penguin decay).
Thuật ngữ "penguin" (chim cánh cụt) được dùng để chỉ một loại phân rã (biến đổi) của các hạt có thời gian sống ngắn. "Trong trường hợp này, chúng tôi nghiên cứu cách các hạt meson B phân rã thành bốn hạt hạ nguyên tử khác - một hạt kaon, một hạt pion và hai hạt muon", TS William Barter và TS Mark Smith viết trong bài báo trên The Conversation.
Nếu tưởng tượng một chút, ta có thể hình dung cách sắp xếp các hạt tham gia vào quá trình phân rã trên trông giống hình dạng một con chim cánh cụt. Các phép đo phân rã này cho phép các nhà khoa học nghiên cứu cách một hạt cơ bản là hạt quark đáy (beauty/bottom quark) biến đổi thành một hạt cơ bản khác là quark lạ.
Trong Mô hình Chuẩn, dạng phân rã "penguin" này cực kỳ hiếm: cứ một triệu hạt meson B mới có một hạt phân rã theo cách này. Các nhà khoa học đã phân tích cẩn thận các góc và năng lượng mà các hạt này được tạo ra trong quá trình phân rã, đồng thời đã xác định chính xác tần suất xảy ra của quá trình ấy. Kết quả cho thấy các kết quả đo không phù hợp với các tiên đoán của Mô hình chuẩn.
"Phép đo của chúng tôi cho thấy có sự khác biệt so với lý thuyết ở mức 4 độ lệch chuẩn", TS William Barter và TS Mark Smith viết trong bài báo trên The Conversation.
Nói một cách dễ hiểu, sau khi tính đến độ bất định từ các dữ liệu thực nghiệm và tiên đoán lý thuyết, nếu Mô hình Chuẩn là đúng thì chỉ có 1/16.000 khả năng xảy ra sự biến động ngẫu nhiên cực đoan như vậy trong dữ liệu.
Mô hình chuẩn hiện là cách giải thích tốt nhất về các hạt và lực cơ bản. Ảnh: Freepik.
Mặc dù kết quả thí nghiệm vẫn chưa đạt đến mức tiêu chuẩn vàng của khoa học để khẳng định chắc chắn - mức 5 sigma (tức xác suất khoảng 1 trên 1,7 triệu) - nhưng bằng chứng đang xuất hiện ngày một nhiều hơn. Thêm vào đó, những kết quả từ một thí nghiệm độc lập khác tại LHC là CMS - đã được công bố vào đầu năm 2025 - cũng cho thấy phát hiện tương tự.
"Tuy kết quả của CMS không chính xác bằng kết quả của LHCb, các phát hiện ở hai thí nghiệm lại phù hợp với nhau, qua đó làm tăng thêm sức nặng cho giả thuyết", TS William Barter và TS Mark Smith cho biết.
Các hướng nghiên cứu trong tương lai
Việc nghiên cứu thật chính xác những kiểu phân rã như thế này là mục tiêu quan trọng của thí nghiệm LHCb ngay từ khi nó được đề xuất vào năm 1994.
Thực ra, cách tìm kiếm gián tiếp như vậy không phải là mới. Chẳng hạn, hiện tượng phóng xạ đã được phát hiện từ rất lâu - tới 80 năm trước khi con người thực sự quan sát trực tiếp được các hạt gây ra nó (các boson W).
"Việc nghiên cứu các quá trình hiếm gặp giúp chúng ta khám phá những mảnh ghép của tự ̣nhiên mà nếu không có nó thì con người sẽ phải chờ các máy gia tốc hạt tương lai (dự kiến mãi đến những năm 2070 mới được xây dựng)", theo TS William Barter và TS Mark Smith.
Hiện có rất nhiều giả thuyết có thể giải thích phát hiện mới của các nhà khoa học. Một số giả thuyết cho rằng tồn tại các hạt mới gọi là "leptoquark" - loại hạt có tính chất của hai nhóm vật chất vốn khác biệt là lepton và quark.
Một số giả thuyết khác thì nói rằng có những hạt giống như trong Mô hình Chuẩn nhưng nặng hơn nhiều. Các kết quả mà nhóm nghiên cứu mới tìm ra có thể giúp loại bớt những giả thuyết không phù hợp và chỉ ra hướng mà các nhà nghiên cứu nên tiếp tục tìm kiếm trong tương lai, theo TS William Barter và TS Mark Smith.
Dù phát hiện mới rất thú vị, "vẫn còn nhiều câu hỏi lý thuyết chưa được giải đáp, khiến chúng tôi chưa thể khẳng định chắc chắn rằng mình đã quan sát được ‘Vật lý ngoài Mô hình chuẩn’", theo TS William Barter và TS Mark Smith. Câu hỏi chưa được giải đáp lớn nhất liên quan đến "charming penguins" - một tập hợp các quá trình đã có trong Mô hình chuẩn nhưng cực kỳ khó dự đoán chính xác. "Các ước tính gần đây cho thấy chúng không đủ để giải thích kết quả đã quan sát được", TS William Barter và TS Mark Smith cho biết.
Hơn nữa, khi kết hợp mô hình lý thuyết với dữ liệu thực nghiệm từ LHCb, các "charming penguins" (và do đó là Mô hình Chuẩn) vẫn gặp khó khăn trong việc giải thích các kết quả bất thường.
Dù vậy, tin tốt là chúng ta đã có thêm dữ liệu mới để kiểm chứng: Nghiên cứu hiện tại dựa trên khoảng 650 tỷ lần phân rã meson B (từ 2011-2018). Sau đó, thí nghiệm LHCb đã thu thập được lượng dữ liệu meson B nhiều gấp ba lần như vậy. Trong tương lai, khi máy gia tốc hạt lớn được nâng cấp vào những năm 2030, các nhà khoa học sẽ có thể thu thập được lượng dữ liệu nhiều gấp 15 lần.
Nếu các kết quả này tiếp tục được xác nhận, các nhà khoa học có thể đưa ra kết luận chắc chắn hơn - và cuối cùng "có thể sẽ mở ra một cách hiểu mới về cách vũ trụ vận hành ở cấp độ cơ bản nhất", theo TS William Barter và TS Mark Smith
Ngọc Đức dịch
---
Nguồn:
Our Large Hadron Collider results hint at undiscovered physics, The Conversation, https://theconversation.com/our-large-hadron-collider-results-hint-at-undiscovered-physics-272620
Comprehensive analysis of the 0→*0+− decay (2026). Physical Review Letters. https://doi.org/10.1103/24g9-yn9d