Đây là hình minh họa bẫy phản vật chất trung hòa ALPHA, cho thấy bản chất của thiết bị ALPHA là một bình chứa phản hydrogen. Ảnh: Chukman So, Wurtele Research Group.
Việc bắt giữ các nguyên tử phản hydrogen tại Tổ chức Nghiên cứu Hạt nhân châu Âu (CERN) đã trở thành công việc quen thuộc đến mức các nhà vật lí cam chắc rằng họ có thể sớm bắt đầu những thí nghiệm trên tương đương phản vật chất hiếm gặp này của nguyên tử hydrogen – đó là theo lời các nhà nghiên cứu tại trường Đại học California, Berkeley.
“Chúng tôi đã bắt giữ các nguyên tử phản hydrogen trong thời gian kéo dài đến 1000 giây, đó là thời gian mãi mãi” trong thế giới của ngành vật lí hạt năng lượng cao, theo lời Joel Fajans, giáo sư vật lí tại trường Đại học UC Berkeley, một nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley và là thành viên của thí nghiệm ALPHA (Thiết bị Vật lí Laser Phản hydrogen) tại CERN ở Geneva, Thụy Sĩ.
Đội khoa học ALPHA đã cật lực xây dựng một cái bẫy phản hydrogen mới với “hi vọng rằng vào năm 2012 chúng ta sẽ có một cái bẫy mới với sự truy xuất laser cho phép các thí nghiệm quang phổ học trên các phản nguyên tử”, ông nói.
Fajan và đội ALPHA, trong đó có Jonathan Wurtele, giáo sư vật lí tại UC Berkeley, đã công bố những thành công mới nhất của họ trên số ra trực tuyến ngày 5 tháng 6 và số in của tạp chí Nature Physics. Fajans, Wurtele cùng các nghiên cứu sinh của họ giữ vai trò trọng yếu trong việc thiết kế cái bẫy phản vật chất và những phương diện khác của thí nghiệm trên.
Bài báo của họ tường thuật rằng trong một loạt phép đo tiến hành hồi năm ngoái, đội đã bắt giữ 112 phản nguyên tử trong thời gian từ một phần năm của một giây đến 1000 giây, tức 16 phút 40 giây.
Kể từ thí nghiệm đầu tiên bắt giữ thành công các nguyên tử phản hydrogen vào năm 2009, các nhà nghiên cứu đã bắt giữ tổng cộng 309 nguyên tử.
“Chúng tôi muốn có thể bẫy một nghìn nguyên tử trong một nghìn giây, nhưng chúng tôi vẫn có thể khởi động các thí nghiệm laser và vi sóng để khảo sát tính chất của các phản nguyên tử”, Fajan nói.
Hồi tháng 11 năm 2010, Fajans, Wurtele và đội ALPHA đã báo cáo số liệu đầu tiên của họ về phản hydrogen bị bắt giữ: 38 phản nguyên tử bị bắt giữ trong thời gian hơn một phần mười của một giây đối với từng phản nguyên tử. Tuy nhiên, họ đã thành công trong việc bắt giữ một phản nguyên tử chỉ trong 10 lần thử.
Về cuối những thí nghiệm của năm trước, họ đang bắt giữ được một phản nguyên tử trong gần như mỗi lần thử, và đã có thể giữ các phản nguyên tử trong bẫy trong thời gian lâu như họ mong muốn. Trên thực tế, việc bắt giữ 10-30 phút sẽ đủ lâu cho đa số các thí nghiệm, miễn là các phản nguyên tử ở trong trạng thái năng lượng thấp nhất, hay trạng thái cơ bản, của chúng.
“Những phản nguyên tử này sẽ giống hệt như những nguyên tử hydrogen vật chất bình thường, nên chúng tôi đảm bảo toàn bộ chúng ở trong trạng thái cơ bản sau một giây đồng hồ”, Wurtele nói.
“Đây có khả năng là những phản nguyên tử trạng thái cơ bản đầu tiên từng được tạo ra”, Fajan bổ sung thêm.
Trong một nguyên tử phản hydrogen (trên), một phản electron tích điện dương, hay positron, quay xung quanh một phản proton tích điện âm: ảnh qua gương của nguyên tử hydrogen bình thường (dưới). Ảnh: Chukman So, Wurtele Research Group
Phản vật chất là một câu đố bí ẩn vì nó phải được tạo ra với lượng ngang bằng với vật chất bình thường trong Big Bang khai sinh ra vũ trụ hồi 13,6 tỉ năm về trước. Tuy nhiên, ngày nay, không có bằng chứng của thiên hà hay đám mây phản vật chất nào hết, và phản vật chất hiếm khi được trông thấy, hoặc chỉ trông thấy trong những khoảng thời gian ngắn, thí dụ trong một số phân rã phóng xạ trước khi nó phân hủy trong một va chạm với vật chất bình thường .
Vì thế, ước muốn của các nhà khoa học là đo được những tính chất của phản nguyên tử để xác định xem những tương tác điện từ và tương tách hấp dẫn của chúng có giống hệt với tương tác của vật chất bình thường hay không. Một mục tiêu là kiểm tra xem các phản nguyên tử có tôn trọng đối xứng CPT giống như các nguyên tử bình thường hay không. Đối xứng CPT (điện tích-chẵn lẻ-thời gian) có nghĩa một hạt sẽ hành xử theo kiểu giống như vũ trụ trong gương nếu như có điện tích ngược lại và chuyển động ngược chiều thời gian.
“Mọi dấu hiệu của sự phá vỡ đối xứng CPT sẽ đòi hỏi người ta nghiêm túc suy nghĩ lại kiến thức của chúng ta về tự nhiên”, phát biểu của Jeffrey Hangst thuộc trường Đại học Aarhus ở Đan Mạch, phát ngôn viên cho thí nghiệm ALPHA. “Nhưng một nửa vũ trụ đã bị thất lạc, nên một số kiểu suy nghĩ lại rõ ràng đang nằm trên bàn nghị sự”.
ALPHA bắt giữ phản hydrogen bằng cách trộn phản proton từ Máy giảm tốc Phản proton của CERN với positron – phản electron – trong một buồng chân không, trong đó chúng kết hợp thành các nguyên tử phản hydrogen. Phản hydrogen trung hòa lạnh bị giam cầm bên trong một cái chai từ, khai thác những moment từ nhỏ xíu của các phản nguyên tử. Các phản nguyên tử bị bắt giữ được phát hiện ra bằng cách tắt từ trường đi và cho phép các hạt phân hủy với vật chất bình thường, tạo ra một lóe sáng.
Vì sự giam cầm đó phụ thuộc vào moment từ của phản hydrogen, nên nếu spin của phản nguyên tử bị đảo, thì nó vọt ra khỏi chai từ và phân hủy với một nguyên tử vật chất bình thường. Điều này mang lại cho các nhà thí nghiệm một phương thức dễ dàng phát hiện ra tương tác của ánh sáng hay vi sóng với phản hydrogen, vì photon ở tần số thích hợp sẽ làm spin của phản nguyên tử đảo lật giữa “up” và “down”.
Hình minh họa bẫy ALPHA bắt giữ các nguyên tử phản hydrogen. Ảnh: Chukman So
Mặc dù đội khoa học đã bắt giữ lên tới ba nguyên tử phản hydrogen mỗi lần, nhưng mục tiêu là bắt giữ nhiều nguyên tử hơn trong khoảng thời gian lâu để thu được độ chính xác thống kê lớn hơn trong các phép đo.
Chương trình hợp tác ALPHA cũng công bố trong một bài báo trên Nature Physics rằng đội khoa học đã đo được sự phân bố năng lượng của các nguyên tử phản hydrogen bị bẫy.
“Nghe có vẻ không thú vị gì, nhưng nó là thí nghiệm đầu tiên thực hiện về các nguyên tử phản hydrogen bị bẫy”, Wurtele nói. “Mùa hè này, chúng tôi đang trong kế hoạch tiến hành nhiều thí nghiệm hơn, với vi sóng. Hi vọng chúng tôi sẽ đo được sự biến thiên cảm ứng do vi sóng của trạng thái nguyên tử của các phản nguyên tử”.
Nguồn: Đại học California-Berkeley, PhysOrg.com
