Những kết quả “trêu ngươi” của hai thí nghiệm thách thức Mô hình chuẩn
Chúng ta có thể tìm thấy gợi ý về các hạt mới hay lực mới của tự nhiên qua hai thí nghiệm ở Mỹ và châu Âu - và tại sao nó có thể thay đổi vật lý.
Bức ảnh này chụp năm 2018 tại CERN, Nikolai Bondar làm việc trên hệ LHCb Muon. Những kết quả ban đầu được xuất bản năm 2021 là kết quả thực nghiệm tại đây và từ Fermilab ở Mỹ đang thách thức cách các nhà vật lý nghĩ việc vũ trụ hoạt động, một viễn cảnh về vật lý hạt ở cả hai khía cạnh kích thích và bế tắc. (Maximilien Brice, Julien Marius Ordan/CERN via AP)
Những kết quả sơ bộ từ hai thực nghiệm, một ở châu Âu và một ở Mỹ, đã đề xuất hiểu biết mới có thể trái ngược với cách cơ bản mà các nhà vật lý vẫn nghĩ về vũ trụ hoạt động, một viễn cảnh có thể bao hàm cả sự bế tắc lẫn mở ra tầm nhìn mới trong lĩnh vực vật lý hạt.
Các hạt nhỏ bé mà chúng ta gọi là muon không hoàn toàn hoạt động như những gì chúng được chờ đợi trong khuôn khổ hai thực nghiệm được thực hiện trong quãng thời gian dài. Các kết quả trùng hợp – nếu nó được chứng minh là đúng – tiết lộ những vấn đề lớn với Mô hình chuẩn mà các nhà vật lý vẫn dùng để miêu tả và hiểu cách vũ trụ hoạt động tại cấp độ hạ nguyên tử.
“Chúng tôi đã nghĩ là chúng tôi có thể bơi mãi trong biển các hạt mà không thể khám phá trực tiếp ra cái gì”, Chris Polly – nhà khoa học đồng dẫn dắt thực nghiệm tại Fermilab nói trong một cuộc họp báo. “Đó có thể là những con quỷ mà chúng tôi vẫn còn chưa hình dung ra, chúng đang dần xuất hiện từ tương tác chân không với các hạt muon của chúng tôi và trao cho chúng tôi một cánh cửa để có thể ngó vào quan sát chúng”.
Mô hình Chuẩn đã được phát triển trong 50 năm qua. Các thí nghiệm được thực hiện trong vòng nhiều thập kỷ đã xác nhận đi xác nhận lại những miêu tả của nó về các hạt và các lực tạo thành vũ trụ cũng như vận hành vũ trụ theo một cách rất đẹp. Cho đến tận bây giờ.
“Các hạt mới, vật lý mới có thể vượt khỏi nghiên cứu của chúng tôi’, nhà vật lý hạt Alexey Petrov của trường đại học Wayne, nói. “Nó trêu ngươi chúng ta”.
Fermilab của Bộ Năng lượng Mỹ loan báo những kết quả của 8,2 tỉ vòng lưu chuyển của những tia hạt vòng quanh một đường hầm bên ngoài Chicago có thể buồn chán với phần lớn mọi người nhưng lại hấp dẫn với các nhà vật lý: từ trường của hạt muon dường như không giống những gì mà Mô hình chuẩn đã nói chúng phải thế. Điều này dẫn đến những kết quả mới của LHC tại CERN là đã tìm ra một sự cân xứng đáng ngạc nhiên của các hạt trong kết quả của những cuộc va chạm tốc độ cao.
Bức ảnh chụp tháng 8/2017 cho thấy vòng Muon g-2 ring ở Phòng thí nghiệm máy gia tốc quốc gia Fermi ở ngoại ô Chicago. Nó được vận hành tại -450 độ F (-267 độ C) để dò các hạt muon khó nắm bắt khi chúng di chuyển qua một từ trường. Những kết quả ban đầu từ thực nghiệm xuất bản năm 2021 của Fermilab và CERN thách thức cách các nhà vật lý vẫn nghĩ về vũ trụ. (Reidar Hahn/Fermilab via AP)
Nếu được xác nhận, những kết quả thu được ở Mỹ có thể là phát hiện lớn nhất trong thế giới kỳ lạ của các hạt hạ nguyên tử trong vòng 10 năm, kể từ khi khám phá ra hạt Higgs boson mà người ta thường gọi là “hạt của Chúa”, theo Aida El-Khadra của trường đại học Illinois, nghiên cứu về vật lý lý thuyết tại thực nghiệm của Fermilab.
Điểm quan trọng của thực nghiệm, theo giải thích của nhà vật lý lý thuyết David Kaplan của trường đại học Johns Hopkins, là đẩy các hạt ra xa và tìm kiếm việc liệu “có điều gì thú vị đang diễn ra” với cả các hạt và không gian rỗng giữa chúng hay không.
“Các bí mật không chỉ tồn tại trong vật chất. Chúng tồn tại cả trong những thứ dường như để lấp đầy mọi không gian và thời gian. Đó là trường lượng tử”. Kaplan nói. “Chúng tôi đang đặt năng lượng vào chân không đó và xem có cái gì xảy ra”.
Cả các bộ kết quả bao gồm hạt lạ nhanh lẹ như phù du mà người ta gọi là muon. Hạt muon là họ hàng có khối lượng lớn hơn electron mà quỹ đạo quay quanh trung tâm của một nguyên tử. Nhưng muon không là một phần của nguyên tử, nó không bền và thông thường tồn tại chỉ trong hai micro giây. Sau khi được khám phá trong các tia vũ trụ vào năm 1936, nó khiến các nhà khoa học bối rối đến mức có một nhà vật lý nổi tiếng đặt câu hỏi “Ai ‘ra lệnh’ được cho nó?”.
“Kể từ khi bắt đầu xuất hiện muon đến nay, các nhà vật lý đều căng cả óc ra vì nó”, Graziano Venanzoni, một nhà vật lý thực nghiệm tại một phòng thí nghiệm quốc gia Ý và là một trong những nhà khoa học hàng đầu tham gia thí nghiệm ở Fermilab, nói về Muon g-2.
Thí nghiệm này đưa các hạt muon chạy quanh một đường từ giữ các hạt tồn tại trong thời gian đủ để các nhà nghiên cứu có được cái nhìn gần hơn về nó. Những kết quả ban đầu đề xuất là “spin” từ tính của muon khác 0,1% so với những gì mà Mô hình chuẩn dự báo. Dù có vẻ như sự sai khác đó không lớn nhưng với các nhà vật lý hạt thì đó thực sự lớn – quá đủ để nâng cao hơn nữa hiểu biết hiện nay.
Các nhà nghiên cứu vẫn cần một hoặc hai năm nữa để kết thúc việc phân tích kết quả của tất cả các vòng quanh đường từ dài 14 mét. Nếu kết quả đó không đổi, nó sẽ đáng giá như một phát hiện lớn, Venanzoni nói.
Trong khi đó, tại chiếc máy va chạm nguyên tử lớn nhất thế giới ở CERN, các nhà vật lý đã để va chạm các proton với nhau để xem có gì xảy ra sau đó. Một trong những thực nghiệm riêng biệt của máy gia tốc hạt là đo đạc những gì xảy ra khi các hạt được gọi là quark đẹp hoặc quark đáy va chạm.
Mô hình chuẩn dự đoán là các va chạm hạt quark đẹp đó phải đem đến kết qủa trong những số lượng electron và muon cân bằng. Đó là một dạng giống như tung đồng xu lên 1.000 lần và nhận được số lượng tương đương của đầu và đuôi, người phụ trách Thí nghiệm quark đẹp tại LHC, Chris Parkes nói.
Bức ảnh này chụp năm 2018 tại CERN cho thấy hệ thực nghiệm LHCb Muon. (Maximilien Brice, Julien Marius Ordan/CERN via AP)
Nhưng đó không phải là những gì đã xảy ra.
Các nhà nghiên cứu đã miệt mài “lục lọi” dữ liệu từ nhiều năm và hàng trăm sự cố va chạm, cuối cùng tìm thấy 15% khác biệt, với số lượng electron nhiều hơn các muon một cách đáng kể, nhà nghiên cứu thực nghiệm Sheldon Stone của trường đại học Syracuse nói.
Thí nghiệm này vẫn chưa được gọi là khám phá chính thức bởi vì nó vẫn còn là một cơ hội nhỏ và kết quả vẫn có thể bị coi là những sự kỳ quặc trong thống kê. Việc thực hiện các thực nghiệm nhiều lần – với cả hai trường hợp – có thể mất một hoặc hai năm, đạt được các yêu cầu thống kê nghiêm ngặt trong vật lý mới đủ được coi là một khám phá, các nhà vật lý cùng cho biết.
Nếu kết quả đó vẫn được giữ vững, họ có thể sử dụng “mọi phép tính toán có trong thế giới của vật lý hạt”, Kaplan nói.
“Đây không phải là một điều giả mạo, thực sự là có cái gì đó sai ở đây”, Kaplan nói. Cái gì đó có thể được giải thích là một hạt mới hoặc một lực mới.
Hoặc những kết quả đó là sai lầm. Năm 2011, một phát hiện kỳ lạ về một hạt gọi là neutrino dường như di chuyển nhanh hơn ánh sáng đe dọa Mô hình chuẩn nhưng cuối cùng đó là kết quả của một sự cố kết nối điện không tốt trong thực nghiệm.
“Chúng tôi kiểm tra mọi kết nối cáp của mình và chúng tôi đã làm những điều có thể để kiểm tra dữ liệu”, Stone nói. “Chúng tôi tự tin đấy nhưng có thể bạn không bao giờ biết được điều đó đâu”.
Anh Vũ tổng hợp
Nguồn: https://phys.org/news/2021-04-tantalizing-results-defy-physics-rulebook.html
https://home.cern/news/news/physics/intriguing-new-result-lhcb-experiment-cern
