Những phép đo quang phổ học đầu tiên của một nguyên tử phản vật chất đã được thực hiện bởi một đội vật lí quốc tế làm việc tại thí nghiệm ALPHA ở CERN. Công trình trên là một bước tiến quan trọng hướng đến tìm hiểu tại sao vũ trụ chứa nhiều vật chất hơn phản vật chất.
Phản hydrogen – một trạng thái liên kết nguyên tử của một positron và một phản proton – lần đầu tiên được tạo ra tại CERN hồi cuối năm 1995. Hơn hai năm qua, các nhà vật lí nghiên cứu tại thí nghiệm ALPHA đã làm giàu kiến thức của chúng ta về phản vật chất bởi việc trở thành nhóm đầu tiên bắt giữ và lưu trữ những phản nguyên tử trong thời gian đủ lâu để khảo sát chúng một cách chi tiết. Các nhà nghiên cứu đã bẫy tổng cộng 38 nguyên tử phản hydrogen trong khoảng một phần năm của một giây hồi năm 2009 và sau đó đã hoàn thiện thiết bị và kĩ thuật của họ để bẫy tổng cộng 309 nguyên tử phản hydrogen trong 1000 s vào năm 2010. Nay, cũng đội cn trên là nhóm đầu tiên chứng minh rằng có thể khảo sát cấu trúc bên trong của một nguyên tử phản hydrogen, họ đang báo cáo những kết quả trêu ngươi đầu tiên của quang phổ phản hydrogen. Việc phân tích quang phổ của phản vật chất là thiết yếu để tìm hiểu cấu trúc của nó và xác định chính xác nó khác với vật chất bình thường như thế nào.
Thiết bị ALPHA tại CERN. (Ảnh: Jacques Hervé Fichet/CERN)
Bẫy và giữ lại
Phát biểu hồi năm ngoái, phát ngôn viên ALPHA Jeffrey Hangst đã phác họa kế hoạch phát hiện quang phổ phản hydrogen sử dụng vi sóng, và đây chính là cái đội nghiên cứu đã làm trong chín tháng ngắn ngủi. Hangst cho biết “nói thì dễ hơn làm” và ông rất tự hào về cả nhóm ALPHA và về cái họ đã thu được.
Thiết bị ALPHA, sử dụng một cái bẫy Penning để giữ phản hydrogen, đã được cải tiến đáng kể để cho phép đưa vi sóng vào trong bẫy. Trong bài báo công bố trên tạp chí Nature, các nhà nghiên cứu mô tả cách họ lần đầu tiên chiếu vi sóng ở một tần số chính xác lên trên các nguyên tử phản hydrogen bị bẫy, làm cho định hướng từ của chúng đảo lật lại. Sự đảo spin cho phép đa số phản nguyên tử bị bẫy thoát ra khỏi bẫy, vì spin của phản hydrogen phải hướng theo một chiều cố định so với từ trường để nó cho nó được giữ lại trong bẫy.
Phản vật chất trong vi sóng
“Nguyên tử đó giống như một hòn bi lăn trong một cái bát – nó không thể thoát ra ngoài,” Hangst giải thích trong khi đang nói tới các phản nguyên tử bị bẫy. “Vi sóng làm cho spin đảo ngược lại nếu chúng có năng lượng ‘cộng hưởng’ thích hợp. Rồi thì như thể hòn bi ở trên đỉnh đồi và nó sẽ lăn xuống– trong trường hợp này là vào thành bẫy, nơi nó phân hủy,” ông nói. Khi phản hydrogen phân hủy, nó để lại một hình đặc trưng trong các máy dò hạt bao xung quanh bẫy, mang lại bằng chứng của sự tương tác cộng hưởng. “Đó là một cái thật sự mới lạ nữa trong nghiên cứu với phản vật chất...chúng tôi có thể làm như vậy chỉ với một nguyên tử phản hydrogen. Với chỉ một nguyên tử phản hydrogen, điều đó sẽ là không thể, vì không có sự phân hủy nào xảy ra,” Hangst giải thích.
Kiểm tra chéo và xác nhận
Hangst giải thích rằng đội khoa học đã cho chạy vài lần kiểm tra chéo và lặp lại kiểm tra thống kê của đội, chạy sáu loạt phép đo để đảm bảo rằng phương pháp hoạt động càng chính xác cnafg tố. Một trong điều khiển dùng trong thí nghiệm là đưa vi sóng vào ở tần số sai – mode “lệch cộng hưởng” – và sau đó đảm bảo rằng không có phản nguyên tử nào được giải phóng. Tuy nhiên, Hangst cho biết việc thao tác trên spin của các phản nguyên tử bên trong ranh giới của một bẫy từ là khó khăn và không gian tự do sẽ là môi trường có lợi thế hơn nhiều. Thật không may, vì phản hydrogen là một nguyên tử trung hòa, nên nó cực kì khó tổng hợp và lưu giữ, và nó chỉ được giữ bên trong ranh giới của bẫy tĩnh từ. Bất chấp những khó khăn, đội ALPHA sẽ tiếp tục khảo sát những loại chuyển tiếp khác nhau kém nhạy hơn với từ trường của bẫy. “Cuối cùng, chúng tôi muốn khảo sát cấu trúc của phản vật chất để có thể đo chính xác moment lưỡng cực từ - một trong những tính chất cơ bản nhất – của phản vật chất,” Hangst nói.
Hangst cũng cho biết rằng thành tựu hồi năm ngoái bẫy được phản hydrogen trong 1000 s là yếu tố mấu chốt cho sự thành công của thí nghiệm hiện nay. “Đây là cái bẫy 1000 s đang nhắm tới. Trong khi cuối cùng chúng tôi chỉ cần 240 s cho thí nghiệm này, nhưng điều thiết yếu nên biết là chúng tôi có 1000 s nếu chúng tôi cần đến nó,” ông nói.
Khảo sát với laser
Đội nghiên cứu đã cho chạy sáu loạt thí nghiệm và kết luận rằng họ đã quan sát thấy các chuyển tiếp cộng hưởng lượng tử ở những nguyên tử phản vật chất bị bẫy và nó nằm trên lộ trình hướng đến việc có thể so sánh chính xác quang phổ của hydrogen và phản hydrogen. Đây là cái thiết yếu vì mọi sự khác biệt giữ cấu trúc của nguyên tử và phản nguyên tử có thể giải thích tại sao vũ trụ đã phát triển theo hướng có nhiều vật chất hơn phản vật chất.
Trong những tháng sắp tới, Hangst và đội của ông sẽ tiếp tục tháo dỡ thiết bị ALPHA hiện nay để xây dựng ALPHA 2 – một thiết bị sẽ bao gồm các laser sẽ cho phép đội nghiên cứu thực hiện những phép đo quang phổ laser chính xác. Những phép đo này sẽ khảo sát những mức năng lượng khác trong hệ phản hydrogen – ví dụ như năng lượng quỹ đạo của positron quay xung quanh phản proton. Các nhà nghiên cứu dự tính bắt đầu cho chạy ALPHA 2 vào tháng 5 năm nay và sau đó bắt đầu quá trình kéo dài hoàn thiện thiết bị.
Hiện nay, phép đo sơ bộ này của quang phổ của phản vật chất là “toàn bộ ý tưởng ẩn sau các thí nghiệm phản vật chất tại CERN,” theo lời Hangst. “Nó là một tìm kiếm lịch sử... bây giờ chúng tôi biết rằng chúng tôi có thể tiếp tục tìm kiếm những giá trị tố hơn và chính xác hơn,” ông nói.
Với các thành viên gồm bảy quốc tịch khác nhau, đội ALPHA đã được tạp chí Physics World bầu chọn Đột phá của Năm 2010 cho thành tựu bẫy được phản hydrogen.
123physics – thuvienvatly.com
Nguồn: physicsworld.com
