Một đội nghiên cứu người Canada và Mĩ vừa đề xuất một phương pháp dùng laser làm lạnh các nguyên tử phản hydrogen bị bẫy từ xuống đến nhiệt độ còn khoảng 20 millikelvin.
Đội nghiên cứu khẳng định việc làm lạnh phản hydrogen sẽ làm cho nó bền hơn nhiều và vì thế dễ nghiên cứu hơn trong các thí nghiệm. Đặc biệt, nó có thể đưa đến sự phân tích phổ tốt hơn của phản hydrogen, để những tính chất của nó có thể so sánh với những tính chất của hydrogen.
Phản hydrogen là một trạng thái liên kết nguyên tử gồm một positron và một phản proton lần đầu tiên được tạo ra tại CERN hồi năm 1995. Trong vài năm trở lại đây, các nhà vật lí đang làm việc tại thí nghiệm ALPHA ở phòng thí nghiệm Geneva đã trở thành những người đầu tiên bẫy và trữ được một lượng đáng kể chất liệu này, có thể khảo sát cấu trúc bên trong của một nguyên tử phản hydrogen bằng cách tiến hành những phép đo thăm dò đầu tiên của phổ phản hydrogen. Bằng cách cải thiện những phép đo như thế, các nhà nghiên cứu hi vọng xác định được những khác biệt về cấu trúc, nếu có, giữa phản vật chất với vật chất bình thường. Họ hi vọng những kết quả này cuối cùng có thể lí giải tại sao vũ trụ hiện nay chứa nhiều vật chất hơn phản vật chất.
Hình minh họa một nguyên tử phản hydrogen bị bẫy đang được giải phóng sau 1000 giây. (Ảnh: Chukman So/CERN)
Bẫy các chiều không gian
Đa số các thí nghiệm như ALPHA tạo ra phản vật chất bằng cách đưa những plasma positron và phản proton vào một cái bẫy từ, trong đó phản vật chất được trữ trong một thời gian ngắn và nghiên cứu. Nhưng các nguyên tử phản hydroge có năng lượng tương đối cao so với độ sâu của bẫy. Điều này gây ra những sai lệch trong phân tích phổ của mẫu do các hiệu ứng ví dụ như sự nhòe phổ.
Để đảm bảo những hiệu ứng này không ảnh hưởng đến các thí nghiệm, Francis Robicheaux thuộc trường Đại học Auburn ở Mĩ (đồng thời là một thành viên của nhóm ALPHA) và các đồng sự đã đề xuất sử dụng “sự làm lạnh Doppler” để giảm năng lượng của phản hydrogen bị bẫy. Phương pháp sử dụng ánh sáng laser có tần số hơi thấp hơn một chút so với một chuyển tiếp trong một nguyên tử để làm nguyên tử chậm đi. “Khi phản hydrogen lạnh đi, nó chuyển động chậm hơn và nó vẫn ở gần chính giữa của bẫy nguyên tử. Nếu các nguyên tử đang chuyển động chậm hơn, thì sự lệch tần số do chuyển động – sự lệch Doppler – giảm đi,” Robicheaux nói. “Các nguyên tử đang chuyển động về phía laser sẽ ‘nhìn thấy’ ánh sáng bị lệch lên một chút và có khả năng hấp thụ nó dễ hơn so với nếu chúng đang chuyển động ra xa laser. Như vậy, laser có xu hướng làm cản trở chuyển động, khiến cho nguyên tử chậm dần đi.”
Các nhà nghiên cứu cần sử dụng ánh sáng laser ở một bước sóng 121 nm (vừa dưới mức một chuyển tiếp trong phản hydrogen), nhưng việc tạo ra một nguồn đủ mạnh thật sự là một thách thức. “Việc tạo ra lượng ánh sáng laser cần thiết ở bước sóng đặc biệt 121 nm là không hề đơn giản,” Robicheaux nói.
Ba chiều trong một
Bản chất của cái bẫy từ cũng có thách thức của nó. Robicheaux giải thích rằng đa số các thí nghiệm làm lạnh Doppler sử dụng ánh sáng laser đến từ sáu hướng trong không gian ba chiều, để cho bất kì nguyên tử nào đang chuyển động trong bất kì hướng nào cũng có ánh sáng laser làm cản trở chuyển động của nó. Nhưng thiết bị thí nghiệm ALPHA chỉ cho phép ánh sáng laser đến từ một chiều (nên sự làm lạnh sẽ chỉ xảy ra theo một chiều). “Tính toán của chúng tôi cho biết thí nghiệm ALPHA sẽ thu được sự làm lạnh một chiều hoặc ba chiều. Kết quả chung từ mô phỏng của chúng tôi là chuyển động nguyên tử đó đủ phức tạp để sự làm lạnh trực tiếp từ một chiều vẫn đưa đến sự làm lạnh cả ba chiều,” Robicheaux nói. Theo đội nghiên cứu, sự làm lạnh có thể thực hiện bằng một laser Lyman-α sóng liên tục (thường được xem là laser được chọn cho sự làm lạnh phản vật chất) hoặc một laser xung, “miễn là cường độ đủ cao và bề rộng phổ laser đủ nhỏ”.
Qua một loạt mô phỏng trên máy tính, đội nghiên cứu đã chứng minh rằng các nguyên tử phản hydrogen có thể được làm lạnh xuống khoảng 20 millikelvin. Hiện nay, các nguyên tử phản hydrogen bị bẫy có năng lượng lên tới 500 millikelvin.
Trong những năm qua, một số thí nghiệm và nhóm nghiên cứu khác đã đề xuất những phương pháp làm lạnh tương tự cho phản vật chất. Nhưng đề xuất mới này là đề xuất duy nhất sử dụng một laser và thời gian cần thiết để làm lạnh sẽ khá ngắn – chừng vài ba phút. Các nhà nghiên cứu còn cho biết sự làm lạnh sẽ không có những tác động tiêu cực đối với hiệu suất bẫy. “Có những lí do hợp lí để tin rằng việc làm lạnh sẽ làm tăng thời gian sống của phản hydrogen trong bẫy, nhưng chúng tôi chưa làm được những tính toán chi tiết để chứng minh nó,” Robicheaux giải thích.
Các nhà nghiên cứu hiện đang ước tính xem sẽ cần một công suất laser bao nhiêu để thực hiện thành công thí nghiệm họ đã đề xuất.
Tham khảo: Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics.
Nguồn: physicsworld.com
