Các kết quả thúc đẩy bằng chứng cho vật lý cơ bản mới
Các kết quả từ thực nghiệm LHCb tại CERN cho thấy những gợi ý về hiện tượng mà hiện nay chưa thể giải thích được bằng lý thuyết của chúng ta về vật lý cơ bản.
Trong tháng 3/2020, thực nghiệm tương tự đã tiết lộ bằng chứng về các hạt phá vỡ một trong những nguyên lý mang tính bản chất của Mô hình Chuẩn – lý thuyết thuyết phục bậc nhất của chúng ta về các hạt và các lực tương tác, qua đó đề xuất sự tồn tại có thể của các hạt cơ bản mới và lực mới.
Hiện tại, những đo đạc mới do các nhà vật lý tại Phòng thí nghiệm Cavendish ở Cambridge thực hiện đã tìm thấy những hiệu ứng tương tự, thúc đẩy khả năng xác định đó là một dạng vật lý mới 1.
Như chúng ta đã biết, Mô hình Chuẩn mô tả tất cả các hạt đã biết tạo ra vũ trụ này và các lực mà chúng tương tác với nhau. Qua các thực nghiệm đã thực hiện, các nhà vật lý đã nhận thấy phải có cái gì đó chưa hoàn thiện trong mô hình này. Nó không bao gồm lực hấp dẫn hay có thể không tính đến vật chất đã được tạo ra như thế nào trong Big Bang, và không chứa bất cứ hạt nào có đủ khả năng giải thích về vật chất tối bí ẩn mà thiên văn học nói với chúng ta là có số lượng lớn gấp năm lần vật chất tạo nên thế giới mà chúng ta đang thấy xung quanh mình.
Trong một thời gian dài, các nhà vật lý đã săn tìm các tín hiệu của vật lý nằm ngoài Mô hình Chuẩn với mong muốn giúp chúng ta giải quyết một số bí ẩn đó.
Một trong những cách tốt nhất để tìm kiếm các hạt mới và lực mới là nghiên cứu về những hạt đã biết như các hạt quark đẹp. Đây là những “họ hàng” kỳ lạ của quark lên và quark xuống tạo ra các hạt nhân trong từng nguyên tử.
Các quark đẹp không tồn tại với số lượng lớn trong thế giới này vì chúng chỉ tồn tại trong khoảng thời gian ngắn ngủi – thời gian sống trung bình là phần nghìn tỉ một giây trước khi chuyển đổi hoặc phân rã thành hạt khác. Tuy nhiên, hàng tỉ hạt quark đã được tạo ra hằng năm ở máy gia tốc hạt lớn LHC ở CERN và được LHCb ghi nhận – một máy dò được thiết kế cho mục tiêu này.
Quá trình các hạt quark đẹp phân rã có thể bị sự tồn tại của các lực hoặc các hạt chưa được khám phá tác động đến. Vào tháng ba vừa qua, một nhóm các nhà vật lý tại LHCb đã thông báo các kết quả chứng tỏ bằng chứng là các hạt quark đẹp đang phân rã thành các hạt muon ít hơn so với người “họ hàng” nhẹ hơn của nó, các electron. Không thể giải thích được điều này bằng Mô hình Chuẩn, vốn hành xử với các hạt electron và các hạt muon tương tự nhau, trong khi trên thực tế thì các hạt electron nhẹ hơn các hạt muon 200 lần. Do đó, các hạt quark đẹp hẳn là sẽ phân rã thành các muon và các electron với tỉ lệ ngang bằng nhau. Nhưng các nhà vật lý tham gia thực nghiệm LHCb tìm thấy là sự phân rã của hạt muon chỉ diễn ra với tỉ lệ 85% so với sự phân rã của các electron.
Sự khác biệt giữa kết quả thực nghiệm LHCb và Mô hình Chuẩn là ba đơn vị sai lệch, hoặc ‘3 sigma’ trong vật lý hạt. Điều đó có nghĩa là chỉ có một phần một ngàn cơ hội để kết quả này là do thống kê.
Giả định kết quả này là đúng, phần lớn giải thích đây là một lực mới đẩy các electron và muon với cường độ khác biệt đang ảnh hưởng đến sự phân rã của các hạt quark đẹp. Tuy nhiên, để đảm bảo cho hiện tượng này là thật thì cần nhiều dữ liệu hơn để giảm thiểu độ sai lệch trong thực nghiệm. Chỉ khi một kết quả đạt đến ngưỡng ‘5 sigma’, khi có ít hơn một trong một triệu cơ hội hình thành tùy thuộc vào cơ hội ngẫu nhiên, các nhà hạt vật lý hạt sẽ phải bắt đầu xem xét lại việc đó là một phát hiện thực sự.
“Sự thật là chúng tôi đã xem xét các hiện tượng tương tự khi các đồng nghiệp của chúng tôi làm vào tháng ba để thúc đẩy các cơ hội mà chúng tôi có thể xác thực chắc chắn là phát hiện ra cái mới”, tiến sĩ Harry Cliff của Phòng thí nghiệm Cavendish nói. “Thật thú vị để rọi thêm chút ít ánh sáng nữa vào câu đố này”.
Các nhà vật lý đã kiểm tra lại hai quá trình phân rã của các hạt quark đẹp mới từ cùng sự phân rã ở kết quả tháng ba. Nhóm nghiên cứu tìm thấy cùng một hiệu ứng – các phân rã muon chỉ xảy ra với tỉ lệ 70% so với các phân rã electron. Đây là thời điểm độ sai lệch lớn hơn, điều đó có nghĩa là độ lệch vào khoảng ‘2 sigma’ và chỉ có khoảng 2% cơ hội của sự hình thành đó do sự trùng hợp thống kê trong dữ liệu. Dù kết quả này không được dùng để xác quyết kết quả cuối cùng nhưng nó cũng hỗ trợ cho một dấu mốc bằng chứng đang ngày một gia tăng về việc có những lực cơ bản mới đang chờ chúng ta khám phá.
Thực nghiệm tại Large Hadron Collider đang gia tăng khi máy dò ở LHCb được nâng cấp và cung cấp nhiều dữ liệu hơn cho việc thống kê cần thiết, đủ dẫn dến một tuyên bố hoặc bác bỏ một phát hiện lớn”, giáo sư Val Gibson, cũng từ Phòng thí nghiệm Cavendish, nói.
Thanh Phương tổng hợp
Nguồn: https://phys.org/news/2021-10-physicists-results-boost-evidence-fundamental.html
———————————
1.https://arxiv.org/abs/2110.09501
