Khám phá hạt axion có thể giúp trả lời một trong những câu hỏi vật lý hóc búa nhất
Một trong những bí ẩn hàng đầu trong vật lý ngày nay là thứ mà các nhà khoa học vẫn gọi là "vấn đề vi phạm CP tương tác mạnh”.
Hiện tượng gây bối rối các nhà vật lý này chính là các neutron không tương tác với điện trường bất chấp việc nó được hình thành từ hạt quark – các hạt cơ bản nhỏ hơn mang điện tích – vấn đề vi phạm CP tương tác mạnh được đặt vào trong vấn đề Mô hình Chuẩn của vật lý, hoặc bộ tập hợp các lý thuyết mà các nhà khoa học đã sử dụng để giải thích các quy luật của tự nhiên theo thời gian.
Một nhóm nghiên cứu do các nhà vật lý lý thuyết ĐH Minnesota Twin Cities dẫn dắt đã khám phá ra một cách mới để tìm kiếm các hạt axion, loại hạt giả thuyết có thể giúp giải quyết được bí ẩn này. Hợp tác với các nhà thực nghiệm tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc quốc gia Fermilab, chiến lược tìm kiếm mới của các nhà vật lý mở ra những cơ hội chưa từng được khám phá để dò các hạt axion trong các thực nghiệm trên máy gia tốc hạt.
Bài báo của họ được xuất bản trên tạp chí Physical Review Letters và được ban biên tập đề xuất như bài chính của số báo 1.
“Là các nhà vật lý hạt, chúng tôi đang cố gắng mở rộng hiểu biết sâu sắc nhất của chúng tôi về tự nhiên”, Zhen Liu, đồng tác giả của bài báo và là trợ lý giáo sư của trường Vật lý và thiên văn ĐH Minnesota, nói. “Trong thế kỷ qua, các nhà khoa học đã từng hết sức thành công với việc đi tìm các hạt cơ bản thông qua các khung lý thuyết. Vì vậy, thật vô cùng bối rối trong giải thích tại sao các neutron lại không kết cặp với điện trường bởi vì trong lý thuyết mà chúng ta đều biết rõ, chúng ta chờ đợi chúng làm điều đó. Nếu chúng tôi khám phá ra các hạt axion, nó sẽ là một bước tiến vô cùng lớn cho hiểu biết cơ bản của chúng ta về cấu trúc của tự nhiên”.
Một trong những phương tiện cơ bản để nghiên cứu về các hạt hạ nguyên tử, và có tiềm năng khám phá ra những hạt khác, là các thực nghiệm trên máy gia tốc hạt. Về cốt lõi, các nhà khoa học gia tốc những chùm hạt để chúng va chạm – và khi chúng va chạm lẫn nhau, năng lượng tạo ra những hạt khác, chúng đi qua một máy dò, thiết bị cho phép các nhà nghiên cứu phân tích các đặc tính riêng có của chúng.
Liu và phương pháp do nhóm của anh đề xuất tham gia vào đo đạc sản phẩm “phân rã” – hoặc cái xảy ra khi một hạt nặng không bền chuyển đổi thành vô số hạt nhẹ hơn – của hạt axion giả thuyết thành hai hạt muon – các hạt đã biết là về cơ bản là phiên bản nặng hơn của electron. Bằng việc nhìn lại đường đi của hạt muon trong máy dò để tái cấu trúc các phân rã, các nhà nghiên cứu tin là họ có cơ hội để định vị được hạt axion và chứng minh được sự tồn tại của nó.
“Với nghiên cứu này, chúng tôi mở rộng thêm những cách chúng tôi có thể tìm kiếm hạt axion”, Raymond Co, đồng tác giả của nghiên cứu và là một postdoct của trường Vật lý và thiên văn ĐH Minnesota và Viện nghiên cứu vật lý William Fine. “Con người chưa bao giờ sử dụng sự phân rã hạt axion thành hạt muon như một cách để kiếm tìm hạt axion qua hạt neutrino hoặc các thực nghiệm trên máy gia tố hạt trước đây. Nghiên cứu này mở ra những khả năng để tiến thêm trên con đường nỗ lực ở tương lai trong lĩnh vực của chúng tôi”.
Liu và Co, cùng với các nhà vật lý ở ĐH Minnesota và nghiên cứu viên postdoct vật lý thiên văn Kun-Feng Lyu và postdoct Soubhik Kumar của ĐH California, Berkeley đảm trách phần lý thuyết của nghiên cứu này. Họ cũng là một phần của nhóm hợp tác ArgoNeuT, vốn kết hợp các nhà lý thuyết và thực nghiệm ở khắp nước Mỹ tham gia nghiên cứu về các hạt thông qua thực nghiệm tại Fermilab.
Trong nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu do các nhà lý thuyết của ĐH Minnesota dẫn dắt làm việc với các nhà thực nghiệm để thực hiện cuộc kiếm tìm các hạt axion bằng việc sử dụng phương pháp mới và dữ liệu hiện có từ thực nghiệm ArgoNeuT. Các nhà nghiên cứu lên kế hoạch sử dụng các kết quả từ thực nghiệm để tinh chỉnh hơn nữa các tính toán lý thuyết của mình về tỷ lệ tạo ra hạt axion trong tương lai.
Thanh Phương tổng hơp
Nguồn: https://phys.org/news/2023-06-particle-axions-puzzling-physics.html
https://cse.umn.edu/physics/news/liu-group-helps-expand-search-new-particle
————————————–
1. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.221802
