Một đội khoa học quốc tế mới đây đã tìm ra được kích cỡ thật sự của một proton, một trong những thành phần cấu tạo (cùng với neutron và electron) của những nguyên tử tạo nên cơ thể của chúng ta và thế giới xung quanh chúng ta.
Báo cáo trên số ra tuần này của tạp chí Science, các nhà nghiên cứu tìm thấy rằng bán kính của proton là 0,84087 femtomet. Một femtomét là một phần triệu tỉ của một mét, hay nhỏ chừng bằng 100 lần bước sóng của bức xạ gamma. Số đo mới nhỏ hơn 4% so với bán kính được chấp nhận hiện nay là 0,8768 femtomét, và sự chênh lệch nhỏ đó là một câu hỏi chưa được giải đáp.
Nếu kích cỡ nhỏ vừa tìm thấy là đúng, thì có cái gì đó còn thiếu trong kiến thức hiện nay của các nhà vật lí về điện động lực học lượng tử, lí thuyết chi phối cách ánh sáng và vật chất tương tác.
Proton có lẽ nhỏ hơn chúng ta nghĩ
Sai số đo
Aldo Antognini, một nhà vật lí tại Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ và là tác giả đứng tên đầu của bài báo, cho biết sự chênh lệch giữa hai giá trị đo có thể có nghĩa là một trong ba điều sau đây.
Thứ nhất, có sai số trong nghiên cứu trước đây, mặc dù khả năng đó không cao bởi vì có nhiều thí nghiệm khác nhau đã lặp lại phép đo đó.
Khả năng thứ hai là một phần trong phép tính kích cỡ của proton là còn thiếu. “Có lẽ chúng ta chưa hiểu hết cấu trúc proton,” Antognini nói.
Lời giải thích thứ ba là các lí thuyết hiện nay của điện động lực lượng tử là sai, mặc dù khả năng là nhỏ, biết rằng lí thuyết đã hoạt động rất tốt và nó đã được kiểm tra nhiều lần.
Đây không phải là lần đầu tiên có sự chênh lệch kết quả đo. Vào năm 2010, Antognini, làm việc với một đội quốc tế đứng đầu là Randolf Pohl thuộc Viện Quang học Lượng tử Max Planck ở Garching, Đức, đã tìm thấy bán kính proton có khả năng là 0,84185 femtomet.
Làm thế nào đo một proton
Để tìm kích cỡ của một proton, các nhà khoa học sử dụng ba phương pháp. Một là tán xạ electron: bắn những electron tích điện âm vào hạt nhân hydrogen tích điện dương (proton) và đo xem chúng bị lệch bao nhiêu. Hình ảnh tán xạ có thể cho biết vùng điện tích dương là bao lớn.
Phương pháp thứ hai là đo năng lượng cần thiết cho một electron chuyển lên những vùng orbital khác nhau xung quanh một hạt nhân. Các electron thường ở trong những vùng cách hạt nhân một khoảng cách nhất định. Tăng năng lượng của chúng làm chúng bị kích thích, và chuyển lên một vùng khác, gọi là một orbital. Sau đó, các electron trở lại trạng thái chưa kích thích của chúng và phát ra một photon. Bằng cách khảo sát năng lượng cần thiết để đưa một electron từ một quỹ đạo lên một quỹ đạo năng lượng cao hơn, và đo bước sóng của photon phát ra khi electron rơi trở lại orbital năng lượng thấp hơn của nó, người ta có thể ước tính kích cỡ của một proton.
Thứ ba, phương pháp sử dụng trong những thí nghiệm mới vừa nói, sử dụng hydrogen muon tính, đó một proton với một muon, thay vì một electron, quay xung quanh nó. Giống như electron, muon tích điện âm, nhưng chúng nặng hơn 207 lần. Điều đó có nghĩa là chúng chuyển động ở gần hạt nhân hơn, và cần nhiều năng lượng hơn để đưa chúng lên những orbital năng lượng cao. Năng lượng chênh lệch càng lớn thì càng dễ đo. Chiếu một laser vào hydrogen muon tính làm kích thích hạt muon, đưa nó lên một orbital khác. Sau đó muon rơi trở lại trạng thái năng lượng thấp của nó, phát ra một photon tia X.
Hai phương pháp đầu, đã được sử dụng hàng thập niên qua, đi tới giá trị lớn hơn cho bán kính của proton. Phương pháp thứ ba, cái các nhà khoa học cho biết có sai số nhỏ hơn, tìm thấy giá trị nhỏ hơn. Tuy nhiên, những tính toán này khá phức tạp.
Số đo proton mới
Đội của Antognini, tiến hành các thí nghiệm tại Viện Paul Scherrer ở Thụy Sĩ, không những đã làm thí nghiệm hydrogen muon tính lần thứ hai, mà họ còn có những bước tiến để đảm bảo một phép đo chính xác hơn. Sự chênh lệch hiện hữu ở đó. “Có lẽ có cái gì đó trong cấu trúc [proton] mà chỉ có muon mới làm lộ rõ,” Antognini nói.
Đó là nguyên do giá trị mới tỏ ra bí ẩn như thế. Điện động lực học lượng tử (QED) có khả năng đúng, nhưng cũng không hẳn những thí nghiệm trước đây là sai do những sai số đơn giản.
“Có khả năng có những số hạng còn thiếu nào đó trong các tính toán,” phát biểu của Helen Margolis, một nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Vật lí Quốc gia ở Anh, người không có liên quan với nghiên cứu trên. “Cho đến nay QED đã được kiểm tra đến những mức độ không thể tin nổi, nhưng nền tảng toán học thì chưa an toàn như bạn muốn có.”
Nguồn: LiveScience
