Tự nhiên cần 12 hạt vật chất là đủ

Có bao nhiêu hạt vật chất tồn tại trong tự nhiên? Các nhà vật lí đã đi tìm câu trả lời cho câu hỏi này suốt một thời gian dài. 12 hạt vật chất chứa trong mô hình chuẩn của ngành vật lí hạt chăng? Hay là còn có những hạt khác với khối lượng quá cao nên các thí nghiệm từ trước đến nay chưa tạo ra được? Những câu hỏi này nay đã được trả lời bởi các nhà nghiên cứu thuộc viện KIT, CERN và trường Đại học Humboldt trong số ra mới đây của tạp chí Physical Review Letters.

Máy dò hạt CMS

Dựa trên số liệu thu được bởi các máy dò hạt cỡ lớn như CMS tại CERN, cấu trúc của vật chất có thể được nghiên cứu một cách chi tiết. Ảnh: Markus Breig, KIT

Các hạt vật chất, còn gọi là fermion, là thành phần cơ bản của vũ trụ. Chúng tạo ra mọi thứ mà chúng ta nhìn thấy trên trái đất hoặc nhìn qua kính thiên văn. “Tuy nhiên, trong một thời gian dài, không rõ chúng ta có biết hết các thành phần đó hay chưa,” phát biểu của giáo sư Ulrich Nierste tại KIT. Dựa trên những tính chất tương đồng của chúng, chúng được phân chia thành ba thế hệ, mỗi thế hệ gồm bốn hạt. Chỉ có thế hệ hạt thứ nhất là xuất hiện với lượng thích hợp bên ngoài các máy gia tốc. Trong số những hạt này là electron, neutrino electron, quark up (lên) và quark down (xuống). Quark up và quark down tạo ra những hạt nặng hơn, ví dụ như proton và neutron, và do đó tạo nên toàn bộ các nguyên tố của bảng tuần hoàn hóa học.

“Nhưng tại sao tự nhiên có thế hệ hạt thứ hai và thứ ba, nếu những hạt này là không cần thiết cho lắm? Và có lẽ còn có những thế hệ hạt khác nữa chăng?” câu hỏi được nêu ra bởi những tác giả chính của bài báo, Martin Wiebusch và Otto Eberhardt. Ít ra thì câu hỏi thứ hai vừa nêu đã được trả lời “Có đúng ba thế hệ fermion trong mô hình chuẩn của ngành vật lí hạt!”

Trong phân tích của họ, các nhà nghiên cứu đã kết hợp số liệu mới nhất thu bởi các máy dò hạt tại hạt giống-Higgs mới được phát hiện ra gần đây.

Hạt Higgs sinh khối lượng cho tất cả những hạt khác. Vì những fermion khác không được phát hiện trực tiếp trong các thí nghiệm máy gia tốc, nên chúng phải nặng hơn những fermion đã biết cho đến nay. Vì thế, những fermion này cũng sẽ tương tác với hạt Higgs mạnh hơn. Tương tác này làm thay đổi tính chất của hạt Higgs nên hạt này sẽ không được phát hiện ra. Với sự loại trừ thế hệ fermion thứ tư, câu hỏi mở quan trọng nhất của ngành vật lí hạt nay đã được trả lời bởi các phép đo thực hiện tại máy gia tốc LHC của CERN.

“Trong khuôn khổ mô hình chuẩn, số lượng fermion nay đã được xác lập chắc chắn,” Nierste giải thích. Tuy nhiên, một số câu hỏi thú vị vẫn còn đó. Tính chất của hạt Higgs vừa mới khám phá vẫn cần được xác định, và người ta cần biết tại sao vũ trụ lại có nhiều vật chất hơn là phản vật chất.

Tham khảo: DOI: 10.1103/PhysRevLett.109.241802

Nguồn: PhysOrg.com