Phản vật chất rơi xuống chứ không bay lên: thực nghiệm của CERN xác nhận lý thuyết

Quan sát hiện tượng đơn giản này đã lẩn tránh các nhà vật lý hàng thập kỷ.

Với những người vẫn còn mang hy vọng là phản vật chất sẽ bay lên thay vì rơi vào trường hấp dẫn như vật chất thông thường thì các kết quả của thực nghiệm mới như một liều thuốc của thực tại lạnh lùng.

Các nhà vật lý nghiên cứu về phản hydro – một phản proton kết cặp với một phản electron, hay positron – đã chứng tỏ một cách dứt khoát là hấp dẫn đã hút nó xuống dưới và không để nó nảy lên trên.

Ít nhất với phản vật chất thì phản hấp dẫn không hề tồn tại.

Kết quả này không hề gây ngạc nhiên – một sự khác biệt trong hành xử hấp dẫn của vật chất và phản vật chất có thể đem đến nhiều gợi ý cho vật lý – nhưng quan sát nó một cách trực tiếp là giấc mơ trong hàng thập kỷ, Clifford Will, một nhà lý thuyết là chuyên gia về lực hấp dẫn tại ĐH Florida ở Gainesville. “Đây thực sự là một kết quả thú vị”.

“Kết quả ngược lại cũng có thể có những gợi ý lớn; nó có thể không phù hợp với nguyên lý tương đương yếu trong thuyết tương đối rộng của Einstein”, Wurtele, giáo sư vật lý UC Berkeley, nói. “Đây là thực nghiệm đầu tiên đo đạc được lực hấp dẫn trên một phản vật chất trung hòa. Đây là một bước tiến trên con đường phát triển khoa học về phản vật chất trung hòa”.

Bởi vì lực hấp dẫn yếu hơn nhiều so với những lực xuất hiện ở khắp nơi nơi khác như lực hút tĩnh điện hay từ, nên việc tách nó khỏi những hiệu ứng khác trong phòng thí nghiệm là một nhiệm vụ khó, theo nhận xét của Jeffrey Hangst, người dẫn dắt thực nghiệm ALPHA tại CERN, Phòng thí nghiệm vật lý hạt ở gần Geneva, Thụy Sĩ. “Lực hấp dẫn rất yếu ớt nên thực sự phải rất cẩn thận”, Hangst, người cũng là một nhà vật lý tại ĐH Aarhus Đan Mạch, nói. Ông và cộng sự đã trình bày phát hiện trên tạp chí Nature.

Những thực nghiệm tương tự nhằm mục đích thử nghiệm liệu lực hấp dẫn có tác động đến phản vật chất như với vật chất hay không. Bất kỳ sự không đồng nhất nhỏ nào xảy ra cũng có thể giúp giải quyết một trong những vấn đề lớn nhất của vật lý – cách vũ trụ được hình thành hầu như từ loại vật chất khó nắm bắt ấy, dẫu sự gần như tương đương giữa vật chất và phản vật chất có thể xuất hiện từ ngay sau Big Bang.

Cùng khối lượng, cùng lực hấp dẫn

Trong thế giới đảo lộn của phản vật chất, hạt nhân nguyên tử được tạo thành từ các phản proton tích điện âm, đi theo quỹ đạo của các phản electron tích điện dương, hay các positron. Tuy nhiên, theo Mô hình chuẩn của vật lý hạt, việc mang điện tích trái dấu có thể là khác biệt duy nhất: các hạt và phản hạt phải gần như tương đồng nhau ở các đặc trưng. Cụ thể, các thực nghiệm đã xác nhận là positron và phản proton đều có cùng khối lượng như bản sao vật chất của mình, trong các giới hạn cho phép về nhiễu thực nghiệm.

Theo Thuyết tương đối rộng của Einstein, tất cả các vật thể để cùng khối lượng – nói theo cách khác, chúng phải trải qua chính xác cùng một gia tốc hấp dẫn.

Đặt nguyên lý ấy vào một kiểm chứng, Hangst và cộng sự muốn thiết kế một thực nghiệm có thể chứng tỏ cái gì diễn ra khi một nguyên tử trung hòa của phản hydro rơi xuống. “Hầu như không thể tiến hành một thực nghiệm với một hạt tích điện vì vậy phản hydro là một ứng viên hoàn hảo”, Hangst nói.

Để đảm bảo sự bất đối xứng do hấp dẫn gây ra, các nhà nghiên cứu đã kiểm soát cường độ từ trường ở mức chính xác ít nhất phần vạn. Có lẽ đây là một thành công đáng kể bậc nhất của họ, theo đánh giá của Patrice Pérez, một nhà vật lý tại Ủy ban Các năng lượng thay thế và năng lượng nguyên tử Pháp ở Gif-sur-Yvette, và là người dẫn dắt GBAR, một thực nghiệm khác của CERN về phản hydro.

Kết quả này cũng phù hợp với việc các phản nguyên tử chịu tác động của lực hấp dẫn với như các nguyên tử hydro. Dù sai số vẫn còn lớn nhưng thực nghiệm này ít nhất có thể cho phép rút ra khả năng là phản hydro cũng rơi xuống theo tác động của lực hấp dẫn.

Cột mốc thực nghiệm

Vào năm 2010, nhóm nghiên cứu của Hangst là nhóm đầu tiên thành công trong việc bẫy phản hydro cho một khoảng thời gian kéo dài, và bắt đầu vào năm 2016, họ có thể đảm bảo cách các phản nguyên tử hấp thụ ánh sáng. Nhưng thực nghiệm về hấp dẫn đòi hỏi một mức độ phức tạp mới, ông nói. “Đây là một thứ phức tạp bậc nhất mà chúng tôi đã từng làm”.

Ruggero Caravita, một nhà vật lý tại Viện nghiên cứu vật lý hạt nhân quốc gia ở Trento, chỉ ra là không ai mong đợi phản vật chất sẽ rơi xuống, nếu không có gì khác, bởi vì phản proton được hình thành từ các phản quark song chúng chỉ chiếm ít nhất 1% trong khối lượng một phản proton: phần còn lại là năng lượng giữ chúng lại với nhau. “Những người bên ngoài đã từng chờ đợi một vi phạm, nếu nó tồn tại, không thể vượt qua con số 1%,” Caravita nói. Nếu nó vượt xa hơn thế thì có thể sẽ phá vỡ không chỉ của lý thuyết hấp dẫn mà cả Mô hình chuẩn của vật lý hạt. Tuy nhiên, các kết quả của thực nghiệm ALPHA vẫn là một cột mốc quan trọng, ông nói.

Caravita đang dẫn dắt một thực nghiệm thứ ba của CERN, AEgIS, một nỗ lực đo đạc lực hấp dẫn trên một chùm tia gồm các nguyên tử phản hydro trong điều kiện không từ trường. Còn GBAR của Perez sẽ nhằm mục tiêu chạm đến độ chính xác 1% bằng việc tạo ra lần đầu tiên các ion phản hydro mang điện tích dương (phản hydro với một positron dư), có thể giúp làm mát khí xuống một phần trên độ không tuyệt đối.

Những nỗ lực khác nhằm mục tiêu đo đạc lực hấp dẫn tác động trên positronium, một hạt có thời gian sống ngắn được tạo thành từ một electron và một positron có quỹ đạo quay cạnh nhau. Bản thân ALPHA-g cũng đề ra mục tiêu đo đạc chính xác 1% bằng  việc đưa các nguyên tử phản hydro va chạm lên và xuống để hình thành một chồng chập lượng tử với chính nó.

Những niềm vui

Ít nhất đã có một tá các học viên vật lý tại UC Berkeley tham gia vào thực nghiệm này, Fajans và Wurtele nói – hai giáo sư vật lý UC Berkeley là những người đầu tiên đề xuât thực nghiệm từ hơn một thập kỷ, nhiều người trong số họ từ những nhóm còn chưa được biết đến nhiều trong lĩnh vực vật lý. “Đó là một cơ hội lớn với nhiều học viên của Berkeley”, Fajans nói. “Có nhiều thực nghiệm rất thú vị trong đó và các sinh viên của chúng tôi đã học hỏi được rất nhiều”.

“Kết quả này là một nỗ lực tập thể, dẫu cho việc khởi sinh dự án này từ Berkeley”, Fajans nói, “ALPHA được thiết kế cho quang phổ học của phản hydro, không chỉ để đo đạc hấp dẫn của các phản nguyên tử. Đề xuất của Jonathan và tôi hoàn toàn phù hợp cho mọi kế hoạch của ALPHA, và nghiên cứu này có thể không diễn ra nếu như không có nghiên cứu của chúng tôi và những năm chỉ để chúng tôi phát triển ý tưởng”.

Và dẫu kết quả thu được có thể không gây sốc nhưng thực nghiệm cũng đóng vai trò quan trọng như một thử nghiệm quan trọng cho thuyết tương đối, đến thời điểm hiện nay đã vượt qua các thử nghiệm khác.

“Nếu anh đi dạo quanh Khoa vật lý và đặt câu hỏi với mọi nhà vật lý thì tất cả bọn họ đều có thể cho rằng kết quả này không hề gây ngạc nhiên. Đó là thực tế”, Wurtele nói. “Nhưng phần lớn trong số họ sẽ nói rằng thực nghiệm này cần phải thực hiện bởi vì không bao giờ anh lại có thể chắc chắn được điều gì, nếu không thử. Vật lý là một môn khoa học thực nghiệm. Anh không muốn trở thành kẻ ngốc đến mức không thèm làm một thí nghiệm khám phá một thứ vật lý mới bởi anh nghĩ là mình biết câu trả lời, và như thế có nghĩa là tự đóng sập cửa trước một thứ gì đó khác biệt”.

Tô Vân tổng hợp

Nguồn: https://phys.org/news/2023-09-antimatter-embraces-earth-falling-downward.html

https://www.nature.com/articles/d41586-023-03043-0