Hồi đầu năm nay, một đội khoa học quốc tế công bố họ đã tìm thấy các neutrino – những hạt nhỏ xíu có khối lượng cũng nhỏ xíu nhưng khác không – chuyển động nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Không thể tự tìm ra sai sót nào, đội khoa học đã kêu gọi các nhà vật lí trên khắp thế giới kiểm tra thí nghiệm của họ. Một nhà vật lí đáp lời kêu gọi đó là tiến sĩ Ramanath Cowsik. Ông tìm thấy một chổ hỏng có khả năng không thể tránh được trong thí nghiệm làm thách thức sự tồn tại của những neutrino nhanh hơn ánh sáng.
Những neutrino siêu sáng (nhanh hơn ánh sáng) là kết quả của thí nghiệm OPEARA, một chương trình hợp tác giữa phòng thí nghiệm vật lí CERN ở Geneva, Thụy Sĩ, và Phòng thí nghiệm quốc gia Gran Sasso ở Gran Sasso, Italy.
Sự kiện neutrino được chú thích đầu tiên. Ảnh: Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne
Thí nghiệm đo thời gian neutrino đến và đi khi chúng truyền đi 730 km xuyên qua Trái đất từ điểm xuất phát ban đầu của chúng ở CERN đến một máy dò ở Gran Sasso. Đội nghiên cứu đã bị sốc khi tìm thấy các neutrino đi tới Gran Sassi sớm hơn 60 nano giây so với khi chúng chuyển động ở tốc độ ánh sáng trong chân không. Tóm lại, chúng xuất hiện dưới dạng siêu sáng.
Kết quả này mang lại hoặc là một vướng mắc lớn đối với vật lí học hoặc là một đột phá. Theo thuyết tương đối đặc biệt của Einstein, bất kì hạt nào có khối lượng cũng có thể chuyển động gần tốc độ ánh sáng nhưng không thể đạt tới tốc độ ánh sáng. Vì neutrino có khối lượng, nên những neutrino siêu sáng là không thể tòn tại. Nhưng, bằng cách nào đó, chúng đã có mặt.
Các nhà khoa học tại CERN đã lặp lại thành công kết quả của họ về những neutrino chuyển động nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Ảnh: CERN
Nhưng Cowsik nghi ngờ nguồn gốc của những neutrino trên. Thí nghiệm OPERA tạo ra neutrino bằng cách cho proton lao vào một tấm bia cố định. Va chạm này tạo ra một xung pion, những hạt không bền bị tập trung bằng từ tính vào một đường hầm, trong đó chúng phân hủy thành các neutrino và muon (một hạt sơ cấp nhỏ xíu khác). Các muon không bao giờ đi xa hơn đường hầm đó, nhưng các neutrino, chúng có thể xuyên qua vật chất giống như bóng ma đi xuyên qua tường, vẫn tiếp tục thẳng tiến đến Gran Sasso.
Cowsik và đội của ông đã khảo sát tỉ mỉ bước đầu tiên này của thí nghiệm OPERA. Họ nghiên cứu xem “các phân hủy pion có tạo ra những neutrino siêu sáng hay không, giả sử năng lượng và xung lượng được bảo toàn”, ông nói. Các neutrino OPERA có năng lượng lớn nhưng khối lượng rất nhỏ, nên câu hỏi đặt ra là chúng có thật sự chuyển động nhanh hơn ánh sáng hay không.
Sự tạo thành một neutrino và một muon. Ảnh: J. Sonier
Cái Cowsik và đội của ông tìm thấy là nếu các neutrino sinh ra từ một phân hủy pion đang chuyển động nhanh hơn ánh sáng, thì thời gian sống của pion sẽ lâu hơn và mỗi neutrino sẽ mang một năng lượng nhỏ hơn mà nó chia sẻ với muon. Trong khuôn khổ vật lí học hiện nay, các neutrino siêu sáng sẽ rất khó sinh ra. “Ngoài ra, những khó khăn này sẽ chỉ tăng lên khi năng lượng pion tăng lên,” Cowsik giải thích.
Có một kiểm tra thực nghiệm của kết luận lí thuyết của Cowsik. Phương pháp sản sinh neutrino của CERN được sao lại tự nhiên khi các tia vũ trụ va chạm với khí quyển của Trái đất. Một đài thiên văn tên gọi là IceCube đã được xây dựng để quan sát những neutrino xuất hiện tự nhiên này ở Nam Cực; khi các neutrino va chạm với những hạt khác, chúng sẽ sinh ra những muon để lại những vệt sáng khi chúng đi qua khối băng trong dày gần 2,5 km.
Sơ đồ thí nghiệm IceCube. Ảnh: ICE.WISC.EDU / PETE GUEST
IceCube đã phát hiện ra những neutrino có năng lượng cao gấp 10.000 lần bất kì hạt nào được sinh ra là một phần của thí nghiệm OPERA, khiến Cowsik kết luận rằng các pion bố mẹ của chúng phải có những mức năng lượng cao tương ứng. Những tính toán của đội của ông dựa trên các định luật bảo toàn năng lượng và xung lượng cho thấy thời gian sống của pion này sẽ phải quá lâu để cho chúng phân hủy thành những neutrino siêu sáng.
Như Cowsik giải thích, sự phát hiện ra những neutrino năng lượng của IceCube là dấu hiệu cho thấy các pion thật sự phân hủy theo những quan niệm chuẩn của vật lí học, nhưng các neutrino sẽ chỉ đạt gần tới tốc độ ánh sáng; chúng sẽ không bao giờ vượt quá tốc độ ánh sáng.
Dịch bởi Trọng Nhân – thuvienvatly.com
Nguồn: Universe Today
