Từ những chiếc gương vỡ đến một thế giới bất đối xứng

Các lý thuyết tương tác điện từ và tương tác mạnh có tính đối xứng P, nghĩa là các định luật của chúng sẽ không thay đổi khi chuyển từ thế giới thực sang thế giới trong chiếc gương P. Nhưng với tương tác yếu thì lại khác, các nhà thực nghiệm đã tìm ra “hai loại” hạt meson K cộng, có khối lượng và thời gian sống như nhau nhưng lại phân rã khác nhau trong tương tác yếu, chúng được đặt tên là têta và tô để phân biệt. Điều khó hiểu này đã được hai nhà lý thuyết là Dương Chấn Ninh và Lý Chính Đạo giải thích, họ đã mạnh bạo cho rằng, hai meson K cộng đó chẳng qua chỉ là một. Bởi vì trong tương tác yếu, tính chắn lẻ không bảo toàn, lý thuyết khi ấy sẽ không đối xứng P, chúng ta buộc phải từ bỏ một trong những quy luật cơ bản nhất của vật lý học. Tất nhiên là khi ấy ý định đập vỡ chiếc gương P của Lý và Dương đã khiến nhiều người cảm thấy vô cùng nuối tiếc. Tuy nhiên, sự việc đã ngã ngũ vào năm 1957 khi Vũ Diên Xương cùng các cộng sự của bà ở Đại học Columbia đã chứng tỏ bằng thực nghiệm rằng các tương tác yếu là rất khác nhau đối với những hạt tay trái và tay phải. Trong tương tác yếu, chỉ những hạt tay trái mới có thể phân rã, còn những hạt tay phải thì không. Thêm vào đó, các electron sinh ra trong sự phân rã bê-ta trừ chỉ ưu tiên chạy theo một phía Và người ta còn tìm ra một bằng cớ nữa về một loại hạt nổi tiếng, hạt neutrino, chỉ tham gia vào tương tác yếu. Có thể nói neutrino là một con ma trong thế giới hạt cơ bản, thậm chí sự ra đời của nó đã từng gắn liền với việc âm mưu ám hại định luật bảo toàn năng lượng. Bây giờ, theo đúng đặc điểm của một con ma, hạt neutrino không hề có ảnh trong gương, tức là chỉ tồn tại những neutrino tay trái chứ không hề có những neutrino tay phải. 
 
Hai chiếc gương hỏng thành một chiếc gương tốt

Ngày 4 tháng 8 vừa qua, chính nhà vật lý được giải Nobel James Cronin đã có một bài nói chuyện rất thú vị ở Đại học Quốc gia Hà Nội về thí nghiệm phát hiện sự vi phạm đối xứng CP của ông và các cộng sự. Cronin cũng đã liên kết sự vi phạm đối xứng CP với vấn đề bất cân bằng vật chất – phản vật chất trong vũ trụ, một chủ đề cực kỳ cuốn hút.

Cũng vẫn là trong tương tác yếu, một chiếc gương quan trọng nữa của cơ học lượng tử trở nên vô dụng. Đó là chiếc gương liên hợp điện tích, hay chiếc gương C (Charge), nó đảm bảo tính đối xứng điện tích của các phương trình cơ học lượng tử, theo đó các phương trình này sẽ mô tả cùng một hiện tượng vật lý đối với hạt và phản hạt có điện tích ngược dấu nhau. Thế nhưng các nhà thực nghiệm đã lại phát hiện ra rằng, trong sự phân rã bêta cộng (tương tác yếu) của một đồng vị Coban, các positron (mang điện dương, phản hạt của electron) lại đi ra theo phía ngược lại với electron trong phân rã bêta trừ. Lẽ ra, theo sự đối xứng điện tích, cả positron và electron sẽ phải cư xử giống nhau. Thế là các nhà vật lý hiểu ra rằng, chiếc gương C của họ không còn dùng được nữa. Sự đối xứng hạt và phản hạt không còn nữa, ngay cả các phản neutrino cũng chỉ có tay phải chứ không không có tay trái.
Thế là hai chiếc gương C và P đều hỏng, tuy nhiên các nhà khoa học đã sớm nhận ra rằng nếu ghép hai gương này làm một thì có thể tạo ra một chiếc gương cho phép biến electron thành positron, hay biến neutrino tay trái thành phản neutrino tay phải. Bây giờ, chúng ta lại có trong tay một sự đối xứng mới, đối xứng liên hợp điện tích và tính chẵn lẻ, hay còn gọi là đối xứng CP. Nó là kết quả của hai sự vi phạm các đối xứng C và P riêng lẻ. Có vẻ như các nhà khoa học đã vớt vát được một quy luật khá đẹp với chiếc gương CP này, qua đó họ chỉ cần đảo chiều các vector của electron đồng thời đổi dấu điện tích của nó là sẽ thu được positron. Chắc hẳn khi ấy người ta đã rất kỳ vọng vào chiếc gương CP này, và nhiều nhà vật lý có lẽ cũng không muốn bất cứ sự vi phạm đối xứng nào nữa.
Tuy nhiên, những câu chuyện hay thường mang nhiều tình tiết bất ngờ, và có thể khẳng định rằng đối xứng CP là một câu chuyện rất hay. Từ năm 1917, nhà toán học Đức Emmy Noether đã chứng minh được một định lý quan trọng, nó khẳng định rằng mọi sự đối xứng đều kèm theo sự tồn tại của  một đại lượng bảo toàn. Chẳng hạn, không gian là đẳng hướng cho nên nó có đối xứng quay, từ đó dẫn đến sự bảo toàn momen xung lượng. Như vậy, theo định lý Noether, nếu Tự Nhiên có sự đối xứng CP một cách chính xác thì khi ấy một đại lượng gọi là số CP phải được bảo toàn.
 
Vi phạm CP
Một hạt và một phản hạt của nó chuyển động theo chiều ngược nhau với năng lượng như nhau sẽ tạo nên một cặp hạt có sự đối xứng điện tích-chẵn lẻ. Phép phản chiếu CP không làm thay đổi hệ, ngoại trừ trong biểu diễn toán học xuất hiện thêm một thừa số: số CP. Cả C hoặc P khi tác dụng hai lần lên hệ sẽ đưa nó về trạng thái ban đầu, cho nên tính chất này có thể được biểu diễn bằng hệ thức đơn giản: C2 = P2 = 1 (trong đó 1 là toán tử đồng nhất, không làm thay đổi bất cứ thứ gì). Kết quả là số CP chỉ có thể bằng +1 hoặc -1. Nếu Tự Nhiên có đối xứng CP hoàn hảo thì theo định lý Noether, không thể có bất cứ trạng thái nào với số CP bằng +1 có thể chuyển sang trạng thái với số CP bằng -1.
 

Bây giờ ta chuyển sang câu chuyện về các hạt meson Ko (kaon trung hòa). Tại sao lại đột ngột như vậy? Vâng, câu trả lời rất đơn giản, tất cả mọi chuyện đều là từ những hạt kaon này mà ra, về mức độ kỳ quái thì chúng xứng đáng được mệnh danh là “những con kỳ nhông” của thế giới hạt cơ bản. Hạt Ko cấu tạo từ một quark xuống và một phản quark lạ và hạt phản Ko thì gồm một phản quark xuống và một quark lạ. Vì đối xứng CP hoán vị quark và phản quark nên nó sẽ biến mỗi Ko thành thành phản Ko và ngược lại. Như vậy cả Ko và phản Ko đều không có số CP xác định. Tuy nhiên, các nhà lý thuyết đã chồng chập các hàm sóng của Ko và phản Ko để tạo nên một cặp các kaon có số CP xác định. Theo các quy tắc của cơ học lượng tử, những hỗn hợp kaon này tương ứng với những hạt thực có khối lượng và thời gian sống xác định.

 
Nhưng vấn đề là ở chỗ, có tới hai hỗn hợp kaon với thời gian sống khác nhau, một hỗn hợp sống ngắn (KS) và một hỗn hợp sống lâu (KL). Các KS có số CP bằng +1, chúng phân rã thành hai pion (meson pi) và quá trình đó bảo toàn số CP. Các KL có số CP bằng -1 nên chúng bị định luật bảo toàn số CP cấm phân rã thành 2 pion, chúng chỉ được phép phân rã thành 3 pion. Và nếu như các kaon sống lâu KL cứ ngoan ngoãn chỉ phân rã thành 3 mà không bao giờ thành 2 thì sự đối xứng CP đã không bị vi phạm. Thế nhưng vào năm 1964, các nhà vật lý ở Brookhaven là James Cronin, James Christenson, Val Fitch và René Turley đã quan sát thấy một “hiện tượng rất tội lỗi” của các kaon sống lâu. Cứ 500 hạt KL thì lại có một hạt dở chứng phân rã thành 2 pion. Hóa ra, CP không phải là một sự đối xứng chính xác của Tự Nhiên! Thêm vào đó, có một điều nữa làm các nhà lý thuyết băn khoăn là không biết tại sao sự vi phạm đối xứng CP lại ở một mức độ nhỏ (1/500) đến khó chịu như vậy.
Năm 1972, Makoto Kobayashi và Toshihide Maskawa ở Đại học Nagoya Nhật Bản đã chỉ ra rằng, CP có thể bị vi phạm trong Mô hình Chuẩn nếu có không ít hơn ba thế hệ quark tồn tại. Vào thời điểm đó, người ta mới chỉ biết đến hai thế hệ quark là lên-xuống và lạ-duyên. Năm 1977, Phòng thí nghiệm máy gia tốc Fermi đã lần ra tung tích của quark đáy và đến mãi năm 1995 cũng ở Fermilab, người ta mới tìm được bằng chứng về quark đỉnh, hoàn tất thế hệ thứ ba.
 
Đi tìm sự lý giải cho một vũ trụ bất đối xứng
Những người ham mê cái lý thuyết đầy thú vị của cơ học lượng tử về hạt và phản hạt nói chung rất khó chấp nhận được một thực tế rằng vũ trụ của chúng ta theo quan sát lại bất đối xứng, nó có vật chất nhiều hơn hẳn phản vật chất. Nhưng vấn đề của các nhà khoa học là làm thế nào để giải thích được sự bất đối xứng đó chứ không phải chỉ ngồi mà nuối tiếc.
 

Trước khi đi tìm nguồn gốc sự dư thừa vật chất so với phản vật chất, đầu tiên chúng ta cần tìm hiểu chính bản thân sự dư thừa đó. Trong vũ trụ, có phổ biến là những biến đổi hạt nhân trong các sao, những phản ứng này có thể biến proton thành neutron hoặc biến neutron thành proton. Số proton tăng thì số neutron giảm và ngược lại. Nhưng có một con số không thay đổi là số baryon, nó là hiệu của số các baryon và số các phản baryon (cả proton và neutron đều thuộc loại hạt baryon). Sự bảo toàn số baryon được chứng tỏ trong tất cả các quan sát đã biết. Các baryon đóng góp phần lớn khối lượng vật chất của vũ trụ, vì thế muốn giải thích sự dư thừa vật chất, ta phải giải thích sự dư thừa các baryon. Và chúng ta sẽ quay trở về giai đoạn đầu của sự tiến hóa vũ trụ, khi ấy phải có những quá trình gây nên sự bất đối xứng baryon, tạo ra nhiều baryon hơn phản baryon.

Lời giải đáp đáng chú ý nhất là của nhà vật lý Xô Viết nổi tiếng Andrei Sakharov. Năm 1967, Sakharov đã chỉ ra ba điều kiện cần thiết để có được sự bất đối xứng baryon. Thứ nhất, vũ trụ phải có những quá trình không bảo toàn số baryon. Thứ hai, trong sự dãn nở, vũ trụ phải trải qua một số trạng thái không cân bằng nhiệt. (Trong sự cân bằng nhiệt, tất cả các trạng thái có năng lượng như nhau thì phải có cùng số hạt, vì thế, do các hạt và phản hạt có cùng năng lượng nên chúng phải có số lượng như nhau). Thứ ba, một điều kiện vô cùng quan trọng, sự đối xứng CP phải bị vi phạm.
Lý thuyết hiện nay cho rằng, tại thời điểm ban đầu của sự sinh ra vũ trụ, trường lượng tử của các hạt Higgs (các hạt này hiện vẫn chưa tìm được bằng thực nghiệm, xuất hiện trong cơ chế sinh khối lượng các boson truyền tương tác của lý thuyết trường chuẩn) tại mọi nơi bằng không. Sau đó, một cái “bong bóng” xuất hiện, bên trong nó có trường Higgs khác không. Bên ngoài bong bóng, các hạt và phản hạt đều không có khối lượng. Nhưng khi chui vào bong bóng, chúng sẽ tương tác với trường Higgs để thu được khối lượng. Khi cái bong bóng lớn lên, các hạt và phản hạt sẽ lan ra bề mặt của nó với những tốc độ khác nhau do sự vi phạm đối xứng CP. Khi ấy, bất cứ sự mất cân bằng nào giữa vật chất và phản vật chất xảy ra bên ngoài bong bóng sẽ nhanh chóng được bù lại bởi những quá trình làm thay đổi số baryon.
Tuy nhiên, những quá trình như vậy là cực kỳ hiếm bên trong bong bóng, vì vậy, sự mất cân bằng bị làm đông cứng. Đến khi cái bong bóng dãn nở đến mức chiếm toàn bộ vũ trụ, nó đã chứa nhiều hạt hơn phản hạt. Cuối cùng vũ trụ sẽ lạnh đi tới mức không còn phản ứng sinh hạt và phản hạt nữa, chỉ còn phản ứng hủy nhau giữa vật chất và phản vật chất.
Thật không may là, khi các nhà lý thuyết sử dụng cơ chế này để tính toán sự mất cân bằng giữa vật chất và phản vật chất, họ đã thấy rằng sự mất cân bằng này là quá nhỏ, gắn liền với một sự vi phạm đối xứng CP quá nhỏ. Điều đó cho thấy phải có một cơ chế khác cho sự vi phạm đối xứng CP và Mô hình Chuẩn có lẽ vẫn còn khiếm khuyết.
Các nhà khoa học bắt đầu đặt nhiều hy vọng ở việc nghiên cứu các meson Bo. Mô hình Chuẩn tiên đoán rằng, những sự phân rã khác nhau của các meson Bo và phản Bo sẽ có tính bất đối xứng cao. Hạt Bo chứa một quark xuống và một phản quark đáy và phản Bo chứa một phản quark xuống và một quark đáy. Cũng giống như những hạt kaon trước đây, các meson B được quan sát thực chất chất là những hỗn hợp của Bo và phản Bo. Và theo như mong đợi, cuối cùng thì các nhà khoa học cũng tìm được một sự phá vỡ đối xứng CP lớn hơn trong hiện tượng phân rã của các meson B. Điều đó đã dọn đường cho lý thuyết của Sakharov, và công trình của nhà vật lý Xô Viết này vẫn là ý tưởng hay nhất để làm cơ sở giải thích cho sự thống trị của vật chất so với phản vật chất trong vũ trụ.        
 
Tài liệu tham khảo
James Cronin – CP Symmetry Violation – the Search for its Origin, Nobel lecture, 8 December, 1980
Richard Feynman – The Character of  Physical Laws, MIT Press, 1965
Helen R. Quinn & Michael S. Witherell – The Asymmetry between Matter and Anti-Matter, 2003 Scientific American