Đường dẫn positronium tại trường Đại học College London. (Ảnh: Gaetana Laricchia)
Positronium là một trạng thái liên kết giống nguyên tử của một electron và phản hạt positron của nó – và vì thế không có điện tích toàn phần. Nhưng các nhà vật lí ở Anh đang nhức đầu suy nghĩ sau khi nhận thấy positronium tương tác với vật chất như thể nó là một electron độc thân, với khối lượng và điện tích dương của positron dường như chẳng có mặt. Khám phá bất ngờ này sẽ thúc giục các nhà nghiên cứu đi tìm một lời giải thích, và có thể có các hệ quả từ y khoa cho đến thiên văn vật lí học.
Positronium thường được xem là họ hàng nguyên tử trung hòa nhẹ nhất. Giống như một nguyên tử hydrogen thông thường, hạt nhân của nó có một electron độc thân bao xung quanh, nhưng proton của hạt nhân này được thay thế bởi positron.
Positronium là một thực thể quan trọng trong nhiều ngành khoa học đa dạng. Trong y khoa, chẳng hạn, các positron được sử dụng để chụp ảnh đường đi của phản ứng hóa học bên trong các tế bào sống, trong một kĩ thuật gọi là xạ quang positron (PET). Nhưng hơn 80% tia gamma thiết yếu phát ra trong các máy quét PET là từ sự phân hủy positronium. Trong khi đó, trong thiên văn vật lí học, sự phân hủy positronium gây ra hơn 90% tia gamma phát ra từ tâm của Dải Ngân hà.
Vì positronium tồn tại đủ lâu để tán xạ khỏi vật chất khác trước khi phân hủy, cho nên các nhà khoa học trong những ngành khoa học vừa nêu cần tìm hiểu rõ các tính chất tán xạ của nó. Thật không may, cả lí thuyết lẫn thí nghiệm về những tính chất này đều khó tiếp cận.
Nay Gaetana Laricchia thuộc trường Đại học College London cùng các đồng nghiệp đã ghi được dữ liệu phân bố vận tốc đầu tiên cho sự tán xạ positronium khỏi nhiều loại nguyên tử và phân tử khác nhau. Trong thí nghiệm của họ, họ sử dụng điện trường và từ trường để dẫn các positron phát ra từ sodium-22, một nguồn chất phóng xạ, sang một tế bào khí. Một số positron thu lấy một electron từ chất khí, tạo ra một chùm positronium truyền về phía một mục tiêu chất khí. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng 10 mục tiêu khác nhau để làm tán xạ positronium, bao gồm helium, nitrogen, oxygen và krypton.
Các kết quả không giống như cái họ trông đợi. Mặc dù positronium là trung hòa và gấp hai lần khối lượng một electron, nhưng tiết diện tán xạ hiệu dụng của nó – một số đo xác suất tương tác là một hàm của vận tốc – luôn giống với tiết diện tán xạ hiệu dụng của riêng một electron.
Laszlo Sarkadi, một nhà vật lí hạt nhân tại Viện Hàn lâm Khoa học Hungary, người trước đây từng nghiên cứu sự tán xạ positronium, cho rằng khám phá trên sẽ thúc giục các nhà vật lí hướng đến khảo sát cơ chế động lực học chi tiết của sự tán xạ, cái ông nghĩ không thể nào là gần đúng, giống như các hệ va chạm khác, với một tương tác hai vật. Tuy nhiên, ông tin rằng đáp án có thể là positron trong positronium đơn thuần hành xử như một hạt “khán giả”. “Hành trạng khác nhau của electron [có thể] giải thích bởi sự phân cực của bia chất khí trong va chạm”, Sarkadi nói.
Laricchia đồng ý rằng electron của positronium, vì lí do gì đó, đã lấn át tương tác trên, nhưng ông nói: “Nguyên nhân cho đến nay vẫn chưa rõ, và chúng tôi hi vọng công trình của chúng tôi sẽ kích thích thêm nhiều nghiên cứu khác nữa”.
Nghiên cứu công bố trên tạp chí Science 330 789.
Nguồn: physicsworld.com
Tác giả: Jon Cartwright
Ngày: 05/11/2010
