Lực cơ bản thứ năm có thể tồn tại nhưng chưa được xác nhận
Bốn lực cơ bản chi phối vũ trụ là tương tác hấp dẫn, tương tác điện từ, tương tác mạnh và tương tác yếu. Các lực này chi phối sự vận động (chuyển động, tính chất, v.v.) của mọi thứ mà chúng ta thấy. Ít nhất, đó là những gì chúng ta nghĩ. Nhưng nhiều năm qua, bằng chứng về sự tồn tại của lực cơ bản thứ năm cũng tăng lên. Dù chưa phát hiện về lực thứ năm này nhưng nghiên cứu mới cũng cho thấy, chúng ta vẫn không hiểu một cách đầy đủ về những lực vũ trụ này.
Các hạt và tương tác boson của Mô hình chuẩn. Nguồn: Particle Data Group
Các lực cơ bản này là một phần của Mô hình Chuẩn (Standard Model) của vật lý hạt. Mô hình này miêu tả tất cả các hạt lượng tử, bao gồm electron, proton, phản vật chất và những hạt khác. Các hạt quark, neutrino và hạt Higgs boson tất cả là phần của Mô hình Chuẩn.
Có một chút nhầm lẫn về thuật ngữ “lực” trong mô hình này. Với Mô hình Chuẩn, mỗi lực đều là kết quả của một loại hạt boson truyền. Các photon là boson truyền tương tác điện từ. Các gluon là boson truyền tương tác mạnh và các boson như W và Z truyền tương tác yếu. Về mặt kỹ thuật thì lực hấp dẫn không thuộc về Mô hình Chuẩn nhưng giả định là hấp dẫn lượng tử có một hạt boson mà chúng ta vẫn biết là graviton. Hiện giờ chúng ta vẫn chưa hiểu biết đầy đủ về hấp dẫn lượng tử nhưng theo một ý tưởng nêu thì hấp dẫn có thể được thống nhất với Mô hình Chuẩn để tạo ra một lý thuyết hợp nhất toàn vũ trụ.
Mỗi hạt mà chúng ta đã khám phá ra đều là phần của Mô hình Chuẩn. Hành xử của các hạt đó trùng chính xác với dự đoán của Mô hình Chuẩn đến kinh ngạc. Các nhà khoa học đã tìm kiếm các hạt ngoài Mô hình Chuẩn nhưng vẫn chưa tìm được bất kỳ hạt nào. Mô hình Chuẩn vẫn là chiến thắng của hiểu biết khoa học và là đỉnh cao của vật lý lượng tử.
Nhưng chúng ta mới bắt đầu học hỏi được một vài vấn đề đáng chú ý.
Các quan sát những thiên hà chứng tỏ sự phân bố của vật chất tối. Nguồn: X-ray: NASA/CXC/Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Switzerland/D.Harvey & NASA/CXC/Durham Univ/R.Massey; Optical & Lensing Map: NASA, ESA, D. Harvey (Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Switzerland) và R. Massey (Durham University, UK)
Để bắt đầu, chúng ta đều biết Mô hình Chuẩn không thể kết hợp với hấp dẫn theo cách chúng ta nghĩ. Trong Mô hình Chuẩn, các lực cơ bản “thống nhất” tại các mức năng lượng cao hơn.
Lực điện từ và lực yếu kết hợp thành lực điện yếu và lực điện yếu hợp nhất với lực mạnh để trở thành lực điện hạt nhân (electronuclear force). Tại các mức năng lượng siêu cao, lực điện hạt nhân và lực hấp dẫn có thể hợp nhất. Các thực nghiệm trong vật lý hạt đã chứng tỏ các năng lượng hợp nhất không khớp với nhau.
Phức tạp hơn cả là vấn đề của vật chất tối. Vật chất tối được đề xuất ban đầu để giải thích tại sao các ngôi sao và khí ở vùng ngoài rìa một thiên hà lại chuyển động nhanh hơn dự đoán từ lực hấp dẫn. Có thể thuyết hấp dẫn của chúng ta sai hoặc phải có một phân bố khối lượng không nhìn thấy (tối) trong các thiên hà. Hơn 50 năm qua, bằng chứng cho vật chất tối đã xuất hiện. Chúng ta đã quan sát cách vật chất tối tập hợp các thiên hà lại với nhau, cách nó được phân bố trong các thiên hà riêng biệt và cả cách hành xử của chúng. Chúng ta biết nó không tương tác mạnh với vật chất thông thường hoặc chính nó, và nó chiếm phần lớn khối lượng trong hầu hết các thiên hà.
Nhưng không hạt nào trong Mô hình Chuẩn lại có thể phù hợp với vật chất tối. Vật chất tối có thể được tạo ra từ những như lỗ đen nhỏ, nhưng dữ liệu thiên văn học không ủng hộ ý tưởng này. Vật chất tối có thể được tạo ra từ những loại hạt còn chưa được xác định, do đó Mô hình Chuẩn không thể dự đoán được.
Sau đó là năng lượng tối. Các quan sát chi tiết về các thiên hà có khoảng cách chứng tỏ vũ trụ đang giãn nở với tốc độ tăng chưa từng thấy. Dường như là một loại năng lượng đang điều khiển quá trình này, và chúng ta không hiểu quá trình này diễn ra như thế nào. Có thể sự gia tốc này là kết quả của cấu trúc không gian và thời gian, một loại hằng số vũ trụ là nguyên nhân dẫn đến vũ trụ giãn nở. Cũng có thể một lực mới chưa được phát hiện điều khiển quá trình này. Bất kể năng lượng tối là gì, nó chiếm tới 2/3 năng lượng vũ trụ.
Tất cả các điểm này đưa ra một sự thật là Mô hình Chuẩn chưa hoàn thiện. Đây là những thứ mà chúng ta thiếu hiểu biết một cách cơ bản về cách vũ trụ vận hành. Phần lớn các ý tưởng đề xuất điều chỉnh Mô hình chuẩn, từ siêu đối xứng đến các hạt quark còn chưa được khám phá, nhưng có một ý tưởng nêu, đó là lực cơ bản thứ năm. Lực này có thể có các hạt hạt boson truyền của chính nó cũng như các hạt mới ở ngoài phạm vi các hạt mà chúng ta đã khám phá.
Chúng ta chưa hiểu được nhiêu về vũ trụ. Nguồn: Chandra X-ray Observatory
Chính lực thứ năm có thể tương tác với các hạt mà chúng ta đã quan sát được theo cách tinh tế và mâu thuẫn với Mô hình Chuẩn. Nó dẫn chúng ta đến một công bố là đã có bằng chứng rõ rệt về tương tác.
Công trình này tập trung vào một dị thường trong phân rã hạt nhân helium-4, và xây dựng nghiên cứu sớm hơn những phân rã beryllium-8.
Beryllium-8 có hạt nhân không bền, vốn phân rã thành hai hạt nhân helium-4. Năm 2016, nhóm nghiên cứu này đã tìm thấy phân rã của beryllium-8 dường như vi phạm với Mô hình Chuẩn ở mức không đáng kể. Khi các hạt nhân này ở một trạng thái kích thích, nó có thể phát xạ một cặp electron-positron trong quá trình phân rã. Số các cặp được quan sát tại các góc rộng hơn lớn hơn dự đoán của Mô hình chuẩn, và nó được biết dưới cái tên dị thường Atomki.
Có rất nhiều giải thích có thể cho dị thường này, bao gồm lỗi thực nghiệm, nhưng có một giải thích: nguyên nhân gây ra là hạt boson mà nhóm nghiên cứu đặt là X17. Có thể là hạt boson truyền lực cơ bản thứ năm (chưa được biết đến trước đây) với khối lượng của 17 MeV. Trong bài báo mới “New evidence supporting the existence of the hypothetic X17 particle” (Bằng chứng mới về sự tồn tại của hạt X17 về giả thiết), nhóm nghiên cứu đã tìm thấy một độ lệch tương tự trong quá trình phân rã helium-4. Hạt X17 có thể giải thích được dị thường này.
Dù điều này có vẻ thú vị nhưng cần cẩn thận trong suy xét. Khi nhìn vào các chi tiết của công bố, có một chút “sai sót” dữ liệu. Về cơ bản, nhóm nghiên cứu đã giả định X17 là chính xác và chứng tỏ rằng dữ liệu này được tạo ra để phù hợp với mô hình của họ. Điều này cho thấy, một mô hình có thể giải thích những dị thường không giống như chứng minh mô hình giải thích được các dị thường. Các giải thích khác là có thể. Nếu X17 tồn tại, chúng ta có thể quan sát được nó trong những thực nghiệm hạt khác, tuy nhiên chúng ta chưa thấy. Do đó bằng chứng cho “lực thứ năm” vẫn còn yếu.
Lực thứ năm có thể tồn tại nhưng chúng ta chưa tìm được nó. Nhưng gì chúng ta biết là Mô hình Chuẩn vẫn chưa bổ sung được toàn bộ các lực trong vũ trụ và điều đó có nghĩa là còn nhiều khám phá thú vị đang chờ đợi chúng ta ở phía trước.
Anh Vũ dịch
Nguồn: https://phys.org/news/2019-11-fundamental-havent.html
