Kỹ thuật mới để đo đạc hằng số cấu trúc tinh tế

Hằng số cấu trúc tinh tế là một trong những hằng số tự nhiên quan trọng nhất. Tại TU Wien, một cách đo đạc đáng chú ý đã được tìm thấy và chứng tỏ như một góc quay.

Giáo sư Andrei Pimenov của Viện Vật lý các chất đậm đặc ở TU Wien (trái)

Một trên 137 là một trong những con số quan trọng nhất của vật lý. Đó là giá trị xấp xỉ của cái gọi là hằng số cấu trúc tinh tế (fine structure constant) – một đại lượng vật lý vô cùng quan trọng trong vật lý hạt và vật lý hạt nhân bởi nó mang đặc trưng cho mức độ tương tác điện từ giữa các hạt cơ bản tích điện.

Có nhiều cách để đo đạc hằng số cấu trúc tinh tế – thông thường là đo đạc một cách gián tiếp bằng việc đo các đại lượng vật lý khác và sử dụng nó để tính toán hằng số cấu trúc tinh tế. Tại TU Wien, tuy nhiên, một thực nghiệm đã được thực hiện, trong đó hằng số cấu trúc tinh tế  tự nó có thể được đo đạc trực tiếp – như một góc.

1/137 – mã số bí mật của vũ trụ

Hằng số cấu trúc tinh tế miêu tả cường độ của tương tác điện từ. Nó chỉ dấu các hạt tích điện như thế nào khi các electron tương tác với trường điện từ. Nếu hằng số cấu trúc tinh tế có một giá trị khác biệt, vũ trụ của chúng ta có thể sẽ có sự khác biệt hoàn toàn – các nguyên tử có thể có một kích thước khác, vì vậy tất cả tính chất hóa học của chúng cũng sẽ hành xử theo cách khác biệt và tổng hợp hạt nhân trong các ngôi sao cũng trở nên khác biệt so với những gì chúng ta quan sát hiện nay.

Có một câu hỏi được thảo luận rất nhiều là liệu hằng số cấu trúc tinh tế là bất biến trên thực tế hay liệu nó có thể có sự thay đổi về giá trị của mình chút ít trong hàng tỉ năm qua không.

Những đo đạc trực tiếp thay vì tính toán

“Các hằng số vật lý quan trọng nhất đều có một đơn vị đặc biệt – ví dụ, tốc độ của ánh sáng có thể là đơn vị của mét mỗi giây”, giáo sư Andrei Pimenov của Viện Vật lý các chất đậm đặc ở TU Wien, nói. “Đó là sự khác biệt với hằng số cấu trúc tinh tế. Nó không có đơn vị như vậy mà chỉ đơn giản là một con số – đó là không thứ nguyên (dimensionless)”.

Nhưng thông thường, khi hằng số cấu trúc tinh tế được đo đạc thì vô số đại lượng với những đơn vị vật lý khác nhau cũng được đo đạc, và sau đó giá trị của hằng số cấu trúc tinh tế được suy ra từ những kết quả đó, ví dụ năm 2020, có nhóm các nhà khoa học đề xuất sử dụng phép đo giao thoa sóng vật chất để đo vận tốc giật lùi của nguyên tử rubidi hấp thụ một photon, qua đó xác định hằng số cấu trúc tinh tế 1.

Tuy nhiên ở đây là một cách tiếp cận mới. “Trong thực nghiệm của chúng tôi, nói cách khác, hằng số cấu trúc tinh tế tự nó trở nên hữu hình một cách trực tiếp”, Andrei Pimenov nói.

Một màng mỏng xoay ánh sáng

Một chùm laser được phân cực tuyến tính – ánh sáng dao động một cách chính xác theo chiều thẳng đứng. Sau đó chùm tia chiếu vào một lớp vật liệu đặC biệt có độ dày vài nano mét. Vật liệu này có đặc tính thay đổi chiều cực của ánh sáng. Một vật liệu xoay chiều cực của một chùm laser không có gì là bất thường. Các vật liệu khác cũng có thể làm được như vậy, vật liệu càng dày thì sự phân cực xoay chiều càng cao. Nhưng chúng ta có thể thấy một hiệu ứng hoàn toàn khác biệt xảy ra ở đây”, Andrei Pimenov nói. “Trong trường hợp của chúng tôi, sự phân cực không diễn ra một cách liên tục mà là nhảy cóc”.

Khi xuyên qua lớp màng mỏng, chiều phân cực của ánh sáng thể hiện một bước nhảy lượng tử. Sau khi xuyên qua, sóng ánh sáng giao động trong một chiều hoàn toàn khác trước. Và khi kích thước của bước nhảy này được tính toán, một kết quả vô cùng ngạc nhiên xuất hiện: lượng tử của thay đổi góc này chính xác là hằng số cấu trúc tinh tế.

“Do đó, chúng ta có thể trực tiếp xâm nhập vào một thứ hoàn toàn khác thường: một lượng tử quay”, Andrei Pimenov cho biết. “Hằng số cấu trúc tinh tế trở nên hữu hình như một góc”.

Nghiên cứu đã được xuất bản trên Applied Physics Letters 2.

Lê Anh Vũ dịch:

Nguồn: https://phys.org/news/2022-11-technique-fine-constant.html

———–

1. https://www.nature.com/articles/s41586-020-2964-7

2. https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0105159

Tác giả