Vật lí Lượng tử Tốc hành (Phần 40)

Phản vật chất

Chúng ta đã gặp phản vật chất ở phần trước, nhưng trước khi có công trình của Paul Dirac vào cuối thập niên 1920, khái niệm phản vật chất hoàn toàn chưa được biết tới. Khám phá hạt phản vật chất đầu tiên, positron, xảy ra vào năm 1932, và ngày nay chúng ta biết rằng mỗi hạt trong Mô hình Chuẩn có một phản hạt ảnh-qua-gương với cùng khối lượng nhưng điện tích trái dấu (ví dụ, nếu điện tích trên electron là -1, thì điện tích trên phản hạt của nó, positron, là +1). Các nhà vật lí còn chứng minh được rằng các phản hạt còn có thể tạo nên các “phản nguyên tử” và “phản phân tử” của riêng chúng.

Đặt một hạt và phản hạt của nó ở cùng nhau thì chúng sẽ hủy nhau thành một lóe năng lượng, tạo ra một cặp photon ảo thay cho chúng. Tuy nhiên, phản vật chất cực kì hiếm – nhiều nhất thì Máy Va chạm Hadron Lớn có thể tạo ra một phần tỉ của một gram phản vật chất mỗi năm. Chẳng ai biết vì sao phản vật chất lại khan hiếm như thế, thế nhưng đó lại là điều tốt – giả sử có lượng vật chất và phản vật chất ngang bằng nhau tại buổi bình minh của Vũ trụ, thì sự phân hủy của chúng đã để lại một Vũ trụ ngập tràn photon mà thôi.

Phản vật chất

Rào thế Coulomb

Một hệ quả gây kích thích của bản chất lượng tử của các hạt là khả năng của chúng có mặt ở nơi này trong chốc lát, rồi thoắt cái lại xuất hiện ở một nơi khác. Đây là cái xảy ra trong phân rã alpha, khi một hạt nhân helium “chui hầm” ra khỏi một hạt nhân lớn hơn. Tuy nhiên, trước khi chúng ta tìm hiểu sự chui hầm lượng tử một cách sâu sắc, chúng ta cần hiểu rõ hơn về hàng rào thế mà một hạt hay hạt nhân phải chui qua.

Trong nguyên tử, hàng rào này được gọi là rào thế Coulomb. Nó không phải một trường lực, mà là một tương tác tĩnh điện giữa các hạt nhân. Ở những khoảng cách rất gần hạt nhân, nó là lực hút, nhưng nó trở thành lực đẩy ngay khi khoảng cách lùi ra xa một chút thôi. Điều này khiến nó giữ hạt alpha rất tốt ở bên trong và giữ các hạt nhân nguyên tử khác ở xa. Hàng rào thế hút Coulomb bắt giữ hạt alpha trong hạt nhân có năng lượng chừng 26 triệu eV, và theo vật lí cổ điển, là không thể chọc thủng. Tương tự như vậy, hai hạt nhân cố gắng liên kết với nhau trong một phản ứng nhiệt hạch đòi hỏi đủ năng lượng để chiến thắng hàng rào thế đẩy Coulomb.