Thí nghiệm đầu tiên về phản lực hấp dẫn

Phản vật chất là một trong những bí ẩn lớn nhất của vật lý học. Khi vũ trụ vừa mới hình thành, đã hình thành phản vật chất có số lượng bằng với vật chất. Khi vật chất và phản vật chất gặp nhau thì chúng sẽ tiêu diệt nhau và chuyển thành ánh sáng [tức năng lượng] – quá trình đó được gọi là hủy diệt (annihilation). Nhưng vì sao trong vũ trụ mà chúng ta nhìn thấy thì vật chất chiếm tuyệt đại đa số, còn phản vật chất lại chỉ chiếm phần rất nhỏ?
Để trả lời câu hỏi này, người ta đã nghiên cứu tìm kiếm sự khác biệt giữa vật chất với phản vật chất. Thí dụ lâu nay nhóm thí nghiệm LHCb của CERN kiên trì chứng minh các hạt đặc biệt (exotic particles – Hạt đặc biệt là loại hạt giả thiết trên lý luận, có một số tính chất đặc biệt; nổi tiếng nhất là hạt tachyon; về lý thuyết, nó được giả thiết là có vận tốc chuyển động nhanh hơn ánh sáng) thường suy biến (decay) thành vật chất nhiều hơn thành phản vật chất. Vừa qua nhóm LHCb đã báo cáo về sự khác biệt rất nhỏ tồn tại trong quá trình suy biến của các hạt meson Bs, nhưng điều đó còn chưa đủ để giải thích được các bí ẩn của vật chất.

Giải mã phản lực hấp dẫn

Một khác biệt rõ rệt nhất giữa vật chất và phản vật chất có thể là ở tương tác giữa chúng với lực hấp dẫn: [khi ấy] phản vật chất có thể bị vật chất đẩy xa chứ không phải là bị hút vào. Nhưng trước khi xuất hiện thí nghiệm ALPHA tại CERN thì chưa thể nào kiểm chứng được sự khác biệt đó.

ALPHA là viết tắt từ tiếng Anh Antihydrogen Laser Physics Apparatus, tức thiết bị vật lý laser phản nguyên tử hydrogen. Thiết bị này có công dụng chế tạo và bắt giữ các “nguyên tử” phản vật chất. Nguyên tử hydrogen gồm một proton và một electron; phản nguyên tử hydrogen (antihydrogen atom) gồm phản hạt của proton và electron – tức phản proton (antiproton) và phản electron (còn gọi positron, điện tử dương). Điểm quan trọng của thí nghiệm không chỉ là chế tạo phản vật chất mà còn ở chỗ trước khi vật chất và phản vật chất gặp nhau và hủy diệt nhau, phải tìm cách duy trì được phản vật chất trong một thời gian tương đối lâu để có thể tiến hành nghiên cứu. Đây chính là công việc nhóm ALPHA đã thực hiện trong năm 2010. Đến năm 2011, nhóm tuyên bố có thể bắt giữ được phản nguyên tử hydrogen lâu tới 1.000 giây.

Giờ đây, khi trở lại với các số liệu đã lấy được từ 434 phản nguyên tử hydrogen, nhóm thí nghiệm đã đặt ra vấn đề nghiên cứu phản lực hấp dẫn. Nhóm thí nghiệm đã thống kê phân tích hướng chuyển động của phản nguyên tử hydrogen – đi lên hay đi xuống, – và xác định mối quan hệ ràng buộc nhóm thứ nhất của nguyên tử phản vật chất chịu tác dụng của lực hấp dẫn. Phạm vi ràng buộc tốt nhất mà họ thu được là: so với nguyên tử vật chất, độ nhạy cảm của nguyên tử phản vật chất đối với lực hấp dẫn thì nhỏ hơn 100 lần, cường độ nhỏ hơn 65 lần. Thế nhưng phương hướng tác dụng của lực hấp dẫn đối với phản vật chất thì ngược lại: đó là phương hướng của phản lực hấp dẫn. Nói tóm lại, vẫn chưa giải quyết được vấn đề lực hấp dẫn của phản vật chất.

“Tuy rằng kết quả đó chưa có ý nghĩa lớn nhưng đây là lần đầu tiên con người đã nghiên cứu biểu hiện của phản vật chất dưới tác dụng của lực hấp dẫn,” GS Hangst, người phát ngôn của nhóm, nói.

Nhiệm vụ chủ yếu của thí nghiệm ALPHA là nghiên cứu cấp năng lượng (energy levels) của phản nguyên tử hydrogen và tìm ra sự khác biệt giữa chúng với nguyên tử hydrogen mà các nhà khoa học đã nắm rõ. GS Hangst cho biết, việc đo lường phản lực hấp dẫn chỉ là một “màn trình diễn phụ” trong thí nghiệm này.

Nguyễn Hải Hoành lược dịch theo bbc.co.uk