Các nhà vật lý lần đầu tiên quan sát được quang phổ của phản vật chất

Thứ Sáu, 23/12/2016

Trong một báo cáo công bố ngày 20/12 trên tạp chí Nature, nhóm nghiên cứu ALPHA tại Tổ chức Nghiên cứu Hạt nhân châu Âu (CERN) cho biết đã đo lường được quang phổ của một nguyên tử phản vật chất.

Thành quả này đánh dấu bước phát triển của công nghệ, mở ra một giai đoạn mới trong lĩnh vực nghiên cứu phản vật chất với độ chính xác cao, đạt được sau 20 năm nỗ lực của các nhà khoa học trong lĩnh vực phản vật chất tại CERN.

Sơ lược về khái niệm phản vật chất

Trong vật lý lượng tử, để hiểu về phản vật chất, trước hết chúng ta cần hiểu về phản hạt.

Phản hạt (antiparticle) là những hạt có cùng khối lượng nhưng khác dấu với các hạt cơ bản mà ta đã biết. Ví dụ, phản electron còn gọi là positron có cùng khối lượng với electron nhưng mang điện dương.

Một phản electron và phản proton có thể kết hợp với nhau để tạo thành phân tử phản hydro, tương tự như một electron và proton tạo thành hydro thông thường. Vì vậy, theo lý thuyết, phản vật chất và vật chất gặp nhau thì sẽ tiêu hủy lẫn nhau giống như hạt và phản hạt, kết quả phóng ra các photon mang năng lượng lớn (các tia gamma) hoặc các cặp vật chất, phản vật chất khác.

hat-va-phan-hat — (ảnh qua vatlythienvan.com)

Ký hiệu: phản vật chất có ký hiệu giống vật chất nhưng có dấu “-” trên đầu. Ví dụ proton và phản pronton có ký hiệu lần lượt là p và p̅. Một cách viết khác là dựa theo sự trái dấu của điện tích. Ví dụ electron và positron sẽ được ký hiệu là e+ và e-.

Có rất nhiều câu hỏi: vì sao vật chất lại là thành phần chủ yếu tạo nên vũ trụ của chúng ta? Phản vật chất tập trung chủ yếu ở đâu và cách khai thác chúng?… nhưng hiện tại thì vật lý vẫn chưa có câu trả lời.

>> Giải Nobel Vật lý 2016: Lại một lý thuyết cao siêu ít ai hiểu

Đo lường quang phổ của phản vật chất

Theo phys.org, nguyên tử bao gồm các electron xoay quanh một hạt nhân. Khi các electron di chuyển từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác, chúng hấp thu hoặc phát ra ánh sáng ở các bước sóng nhất định, tạo thành quang phổ của nguyên tử đó. Mỗi nguyên tố có một quang phổ độc nhất. Do đó, phương pháp đo quang phổ thường được dùng trong vật lý, thiên văn học, hóa học để định rõ đặc điểm của các nguyên tử, phân tử và trạng thái của chúng. Ví dụ, trong vật lý thiên thể, phân tích quang phổ của các ngôi sao xa xôi giúp các nhà khoa học xác định được thành phần cấu tạo của chúng.

Với 1 electron và 1 proton, hydro là nguyên tử đơn giản, dồi dào và được hiểu rõ nhất trong vũ trụ. Quang phổ của nó đã được đo lường với độ chính xác rất cao. Nhưng nguyên tử của phản hydro thì vẫn còn nhiều bí ẩn.

Bởi vì vũ trụ dường như được cấu thành hoàn toàn từ vật chất, muốn đo lường phản hydro thì phải tạo được phản proton và positron trước, rồi kết hợp chúng lại với nhau. Đây là một quá trình cực kì khó khăn và tỉ mỉ, nhưng có ý nghĩa to lớn, vì qua so sánh quang phổ của hydro và phản hydro, có thể kiểm chứng lại các nguyên lý vật lý cơ bản và tìm hiểu sâu thêm về sự chênh lệch vật chất – phản vật chất trong vũ trụ.

Nhờ Máy giảm tốc phản proton tại CERN, nhóm ALPHA có thể tạo ra nguyên tử phản hydro và giữ chúng trong bẫy nam châm đặc dụng để nghiên cứu bằng laser hay các nguồn phóng xạ khác.

Thí nghiệm ALPHA năm 2016 tại CERN (ảnh: CERN)

“Khá dễ để di chuyển và bẫy các phản proton và position bởi chúng có mang điện tích,” Jeffrey Hangst, phát ngôn viên của ALPHA cho biết. “Nhưng khi kết hợp chúng thành phản hydro thì khó bẫy hơn nhiều, vì vậy chúng tôi đã thiết kế một loại bẫy nam châm đặc biệt, bởi phản hydro có một chút từ tính.”

Phản hydro được tạo thành bằng cách trộn lẫn khoảng 90.000 phản proton ở trạng thái plasma với positron, kết quả là khoảng 25.000 nguyên tử phản hydro. Có thể bẫy được phản hydro nếu chúng di chuyển đủ chậm khi được tạo ra. Bằng một phương pháp mới – xếp chồng các phản nguyên tử từ hai vòng pha trộn liên tiếp, các nhà nghiên cứu có thể bẫy trung bình 14 phản nguyên tử ở mỗi lần thử. Qua chiếu rọi bằng tia laser với tần số có độ chính xác cao, các nhà khoa học có thể quan sát tương tác của laser với các trạng thái nội tại của phản hydro.

Kết quả quan sát quang phổ của nhóm nghiên cứu ALPHA

Trong phạm vi của thí nghiệm, kết quả cho thấy không có sự khác biệt giữa quang phổ của hydro và phản hydro. Điều này là phù hợp với Mô hình chuẩn trong vật lý hạt.

Nhóm ALPHA hy vọng sẽ cải thiện độ chính xác của đo lường này trong tương lai, hy vọng quan sát xem vật chất phản ứng khác với phản vật chất như thế nào và lại tiếp tục kiểm chứng Mô hình chuẩn sâu thêm nữa.