Bằng chứng cho sự bất đối xứng vật chất – phản vật chất

Các nhà khoa học thuộc chương trình hợp tác Dzero tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc quốc gia Fermi thuộc Bộ Năng lượng Mĩ công bố hôm thứ sáu, 14 tháng 5, rằng họ đã tìm thấy bằng chứng cho sự vi phạm đáng kể của đối xứng vật chất – phản vật chất trong hành trạng của các hạt chứa các quark đáy (bottom) ngoài cái được trông đợi theo lí thuyết hiện nay, Mô hình Chuẩn của vật lí hạt cơ bản.

Chương trình Dzero đã tìm thấy bằng chứng cho một lộ trình mới trong đó các hạt sơ cấp phá vỡ sự đối xứng vật chất – phản vật chất của tự nhiên. Loại vi phạm CP mới này không phù hợp với các tiên đoán của khuôn khổ lí thuyết đã biết là Mô hình Chuẩn của các hạt và tương tác của chúng. Kết quả cuối cùng có thể giúp giải thích tại sao vũ trụ lại chứa đầy vật chất còn phản vật chất thì biến mất không bao lâu sau Big Bang. Ảnh: DZero

Kết quả mới trên, sắp đăng tải trên tạp chí Physical Review D, đứng tên là chương trình hợp tác Dzero, một đội quốc tế gồm 500 nhà vật lí, chỉ ra một sự khác biệt 1% giữa sự sản sinh các cặp muon và các cặp phản muon trong phân hủy của các meson B tạo ra trong các va chạm năng lượng cao tại máy va chạm hạt Tevatron ở Fermilab.

Sự thống trị của vật chất mà chúng ta thấy trong vũ trụ chỉ có khả năng xảy ra nếu như có những sự khác biệt trong hành trạng của các hạt và phản hạt. Mặc dù các nhà vật lí đã quan sát thấy những khác biệt như vậy (gọi là “vi phạm CP”) ở hành trạng hạt trong hàng thập kỉ qua, nhưng những sự khác biệt đã biết này là quá nhỏ để giải thích sự thống trị quan sát thấy của vật chất so với phản vật chất trong vũ trụ và hoàn toàn phù hợp với Mô hình Chuẩn. Nếu được xác nhận bởi những quan sát và phân tích thêm nữa, thì hiệu ứng mà các nhà vật lí Dzero nhìn thấy có thể tiêu biểu cho một bước tiến nữa hướng đến tìm hiểu sự thống trị vật chất quan sát thấy bằng cách hướng đến những hiện tượng vật lí nằm ngoài cái chúng ta biết ngày nay.

Sử dụng các đặc điểm độc đáo của máy dò chính xác của họ và những phương pháp phân tích mới được phát triển, các nhà khoa học Dzero đã chỉ ra rằng xác suất phép đo này phù hợp với bất kì hiệu ứng nào là dưới 0,1% (độ lệch chuẩn 3,2).

“Kết quả mới hấp dẫn này cung cấp bằng chứng của những sai lệch khỏi lí thuyết hiện nay trong sự phân hủy của các meson B, phù hợp với những dấu hiệu trước đây”, phát biểu của Dmitri Denisov, đồng phát ngôn viên của thí nghiệm Dzero, một trong hai thí nghiệm máy va chạm tại Tevatron. Hồi năm ngoái, các nhà vật lí tại cả hai thí nghiệm Tevatron, Dzero và CDF, đã quan sát thấy những dấu hiệu như vậy trong khi nghiên cứu các hạt cấu tạo gồm một quark đáy và một quark lạ.

Kết quả Dzero dựa trên so sánh sự phân bố của các muon tích điện dương và âm (μ+ và μ-) xuất hiện từ các va chạm proton – phản proton năng lượng cao do máy va chạm hạt Tevatron tạo ra. Một từ trường mạnh bên trong máy dò hạt Dzero buộc các muon xuất hiện từ những va chạm đó chuyển động theo một quỹ đạo cong. Hai muon có điện tích ngược dấu đi theo những quỹ đạo cong theo hướng ngược nhau (xem hình). Trước tiên, các nhà khoa học so sánh sự phân bố muon khi từ trường bên trong máy dò Dzero hướng theo một chiều (cấu hình 1) và rồi so sánh sự phân bố của chúng khi từ trường đảo ngược lại (cấu hình 2). Nếu sự đối xứng vật chất – phản vật chất là hoàn hảo, thì sự so sánh những sự phân bố muon trong hai cấu hình sẽ mang lại kết quả như nhau. Thay vì vậy, thí nghiệm Dzero quan sát một sự lệch 1%, bằng chứng cho một sự bất đối xứng vật chất – phản vật chất. Ảnh: Fermilab.

Khi các hạt vật chất và phản vật chất va chạm nhau trong các va chạm năng lượng cao, chúng biến thành năng lượng và tạo ra những hạt và phản hạt mới. Tại máy va chạm proton – phản proton Fermilab, các nhà khoa học quan sát hàng trăm triệu va chạm mỗi ngày. Các quá trình tương tự xảy ra tại lúc khai sinh ra vũ trụ sẽ để lại cho chúng ta một vũ trụ với lượng vật chất và phản vật chất ngang nhau. Nhưng thế giới xung quanh ta cấu tạo chỉ gồm vật chất và các phản hạt chỉ có thể được tạo ra tại các máy va chạm, trong các phản ứng hạt nhân hoặc tia vũ trụ. “Cái gì đã xảy ra với phản vật chất?” là một trong những câu hỏi trọng điểm của ngành vật lí hạt thế kỉ 21.

Để thu được kết quả mới, các nhà vật lí Dzero đã tiến hành phân tích dữ liệu “mù”, để tránh bất kì thiên kiến nào dựa trên cái họ quan sát thấy. Chỉ sau một thời gian dài xác nhận của các công cụ phân tích, thì các nhà vật lí Dzero mới nhìn vào toàn bộ dữ liệu trọn vẹn. Các nhà thực nghiệm đảo ngược chiều phân cực của từ trường của máy dò của họ trong lúc thu thập dữ liệu để triệt tiêu các hiệu ứng do thiết bị gây ra.

“Nhiều người trong chúng tôi cảm thấy bất ngờ khi chúng ta nhìn thấy kết quả trên”, phát biểu của Stefan Soldner-Rembold, đồng phát ngôn viên của Dzero. “Chúng tôi biết mình đang nhìn thấy cái gì đó nằm ngoài cái chúng tôi thấy trước đây và nằm ngoài cái những lí thuyết hiện nay có thể giải thích”.

Độ chính xác của các phép đo Dzero vẫn bị hạn chế bởi số lượng va chạm ghi được từ trước đến nay của thí nghiệm trên. Do đó, cả CDF lẫn Dzero tiếp tục thu thập dữ liệu và trau chuốt các phân tích để xử lí vấn đề này và nhiều câu hỏi cơ bản khác.

“Máy va chạm Tevatron đang hoạt động cực kì tốt, cung cấp cho các nhà khoa học Fermilab những lượng dữ liệu không có tiền lệ từ các va chạm năng lượng cao để khảo sát những bí ẩn sâu sắc nhất của tự nhiên. Kết quả hấp dẫn này làm tăng thêm tầm quan trọng và tiềm năng khoa học của chương trình Tevatron”, theo Dennis Kovar, phó giám đốc Vật lí năng lượng cao ở Phòng Khoa học thuộc Bộ Năng lượng Mĩ.

Kết quả Dzero dựa trên dữ liệu thu thập hơn 8 năm qua bởi thí nghiệm Dzero: hàng trăm nghìn tỉ va chạm giữa các proton và phản proton trong máy va chạm Tevatron.

“Các thí nghiệm máy va chạm Tevatron nghiên cứu các va chạm năng lượng cao trong từng chi tiết, từ tìm kiếm boson Higgs, cho đến đo lường chính xác các tính chất hạt, đến tìm kiếm những định luật mới và chưa biết tới của tự nhiên. Tôi thật vui khi thấy một kết quả mới hấp dẫn nữa từ Tevatron mang lại”, phát biểu của giám đốc Fermilab, Pier Oddone.

Dzero là một thí nghiệm quốc tế gồm khoảng 500 nhà vật lí đến từ 86 trường viện và 19 quốc gia. Nó được tài trợ của Bộ Năng lượng Mĩ, Quỹ Khoa học Quốc gia Mĩ và một số cơ quan tài trợ quốc tế khác.

Theo PhysOrg.com