Vẫn chưa thể kết luận chắc chắn về bán kính proton

Kích cỡ của proton, cái lâu nay tưởng chừng như đã biết rõ, có lẽ vẫn là một bí ẩn trong một thời gian hơi lâu nữa, theo các nhà vật lí.

Phát biểu hôm 13 tháng 4 tại phiên họp tháng 4 của Hội Vật lí Hoa Kì, các nhà nghiên cứu cho biết họ cần có thêm dữ liệu để hiểu tại sao những phép đo mới của kích cỡ proton không khớp với những phép đo trước đây.

“Sự khác biệt đó hơi nghiêm trọng,” phát biểu của nhà vật lí Randolf Pohl tại Viện Quang học Lượng tử Max Planck. Theo Pohl và các đồng sự của ông, vấn đề là chính sự nhàm chán – ai đó đã làm thí nghiệm không cẩn thận – hay cái gì đó sẽ tạo ra những lí thuyết vật lí mới.

Kích cỡ proton nhỏ đi

Proton là một hạt tích điện dương trong hạt nhân nguyên tử, viên gạch cấu trúc của mọi thứ. Số liệu đo đạc những năm trước đây cho biết bán kính của nó là 0,8768 femto mét (1 femto mét là một phần triệu tỉ của một mét).

Nhưng một phương pháp mới sử dụng trong năm 2009 tìm thấy một số đo khác: 0,84087 femto mét, bán kính chênh lệch 4%.

Những phép đo trước đây sử dụng electron, những hạt tích điện âm quay trong một đám mây xung quanh hạt nhân, để xác định bán kính proton. Để tiến hành phép đo với electron, các nhà nghiên cứu làm một trong hai việc. Thứ nhất, họ có thể bắn các electron vào các proton và đo xem các electron bị lệch hướng như thế nào. Phương pháp tán xạ electron này giúp người ta tính ra kích cỡ của hạt proton tích điện dương.

Một cách khác là cố làm cho electron chuyển động. Các electron chuyển động xung quanh một hạt nhân nguyên tử, nơi có các proton cư trú, ở những mức khác nhau gọi là các orbital. Chúng có thể nhảy từ orbital này sang orbital khác bởi sự tăng hoặc giảm năng lượng của chúng, các electron làm thế bằng cách phát ra hoặc hấp thụ một hạt ánh sáng gọi là một photon. Năng lượng cần thiết để đưa một electron từ orbital này sang orbital khác cho các nhà vật lí biết proton có lực hút mạnh bao nhiêu, và từ đó biết được kích cỡ của proton.

Pohl và các đồng sự của ông không sử dụng electron trong các phép đo proton của họ. Thay vậy, họ chuyển sang một hạt tích điện âm khác gọi là muon. Muon nặng gấp electron 200 lần, vì thế nó quay gần proton hơn 200 lần. Sức nặng này giúp các nhà khoa học dễ dự đoán một muon cư trú trong orbital nào và từ đó mang lại một số đo nhạy hơn của kích cỡ proton.

“Muon tiến gần proton hơn và nó có cái nhìn tốt hơn,” Pohl nói.

Cùng với neutron và electron, proton là một trong những thành phần cấu tạo của các nguyên tử tạo nên cơ thể của chúng ta và thế giới xung quanh chúng ta. Ảnh: aurin/Shutterstock

Những lời giải thích

Những phép đo muon nhạy này mang đến kết quả nhỏ hơn trông đợi cho bán kính proton, một khám phá hoàn toàn bất ngờ, theo lời Pohl. Hiện nay các nhà vật lí đang chạy đua nhau giải thích những khác biệt đó.

Một khả năng là những phép đo mới không chính xác. Pohl nói “lời giải thích chán ngắt” này là có khả năng nhất, nhưng không phải nhà vật lí nào cũng tán thành như vậy.

Theo nhà vật lí Jan Bernauer tại Viện Công nghệ Massachusetts thì các phép đo dựa trên electron đã được lặp lại nhiều lần, và các thí nghiệm muon thì có lợi thế là nếu có cái gì đó làm sai thì chúng sẽ không đưa đến kết quả gì hết.

Nếu hóa ra sai số thí nghiệm không phải là thủ phạm, thì có khả năng có vấn đề ở khâu tính toán, “chúng ta thật sự biết mọi thứ diễn ra nhưng chúng ta chỉ là chưa tính đúng mà thôi,” Bernauer nói.

Hấp dẫn hơn hết thảy, sự khác biệt đó có thể làm hé lộ một cơ sở vật lí mới nào đó chưa được giải thích bởi lí thuyết vật lí đang trị vì hiện nay, tức Mô hình Chuẩn. Có lẽ có cái gì đó chưa biết về cách hạt muon và electron tương tác với những hạt khác, theo lời nhà vật lí John Arrington tại Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne ở Illinois, Mĩ.

Một khả năng nữa là các photon không phải là những hạt duy nhất mang lực giữa các hạt – có lẽ một hạt chưa biết nào đó có trong hỗn hợp và gây ra sự chênh lệch số đo proton như đã nói.

Những bước tiếp theo

Để hiểu rõ cái gì đang diễn ra, các nhà vật lí đang chuẩn bị một bộ thí nghiệm mới trên nhiều phòng thí nghiệm cùng lúc. Một hướng nghiên cứu chính là kiểm tra các thí nghiệm tán xạ electron để đảm bảo rằng chúng được tiến hành chính xác và rằng mọi phương diện của thí nghiệm đã được hiểu đúng, Arrington nói.

Một mục tiêu nữa là lặp lại các thí nghiệm tán xạ, nhưng thay vì bắn electron vào proton họ sẽ bắn muon vào proton. Dự án này, Thí nghiệm Tán xạ Muon, hay viết tắt là MUSE, sắp triển khai tại Viện Paul Scherrer ở Thụy Sĩ. Những cơ sở thực nghiệm này sẽ cho phép các nhà nghiên cứu đo đồng thời sự tán xạ electron và tán xạ muon trong một thí nghiệm.

Kế hoạch là bắt đầu thu thập số liệu trong thí nghiệm đó vào năm 2015 hoặc 2016, cho nên kích cỡ của proton vẫn nằm trong nghi vấn trong một thời gian hơi lâu nữa.

“Chuyện không dễ dàng gì,” Arrington nói. “Chúng tôi hi vọng làm thí nghiệm trong thời hạn dưới 10 năm, nhưng có lẽ chúng tôi đang lạc quan.”

Nguồn: Stephanie Pappas (LiveScience)