Vật chất và phản vật chất hành xử khác nhau trong LHC

Các hạt vật chất và phản vật chất hành xử khác nhau bên trong một cỗ máy va chạm nguyên tử khổng lồ ở Thụy Sĩ, các nhà vật lí cho biết như thế hôm 24/4 vừa qua. Khám phá này có thể giúp giải thích tại sao vũ trụ của chúng ta chủ yếu được cấu tạo từ vật chất, thay vì người anh em lạ lùng hơn của nó – phản vật chất.

Tất cả những hạt vật chất được cho là có những đối hạt phản vật chất có cùng khối lượng nhưng điện tích và spin thì ngược lại. Khi vũ trụ ra đời lúc 13,8 tỉ năm trước với Vụ Nổ Lớn (Big Bang), có khả năng nó có lượng vật chất và phản vật chất ngang nhau. Đa phần lượng phản vật chất này được cho là đã phân hủy trong các va chạm với vật chất (khi hai hạt gặp nhau, chúng hủy lẫn nhau), và và để lại cho vũ trụ của chúng ta ngày nay một sự át trội của vật chất.

Để tìm hiểu tại sao vật chất lại lấn át phản vật chất, các nhà vật lí tìm kiếm bất kì sự khác biệt nào ở cách hai hạt hành xử có thể lí giải cho sự chênh lệch đó. Những khác biệt này được gọi là vi phạm đối xứng điện tích-chẵn lẻ (vi phạm CP), và đó chính là cái các nhà khoa học vừa tìm thấy bên trong Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC) ở Geneva.

Các hạt vật chất và phản vật chất hành xử khác nhau bên trong Máy Va chạm Hadron Lớn, nơi các hạt va vào nhau ở tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng. Đây là hình minh họa các va chạm hạt bên trong LHC. Ảnh: MichaelTaylor | Shutterstock

Bên trong tầng hầm chu vi 27 km của LHC, các proton tăng tốc và lao vào nhau, tạo ra những cơn mưa hạt con cháu. Một thí nghiệm tại LHC gọi là LHCb (viết tắt của “LHC beauty”) nghiên cứu những hạt con cháu này để tìm các dấu hiệu của sự vi phạm CP có thể giúp làm sáng tỏ bản chất của phản vật chất.

Sau khi phân tích khoảng 70 nghìn tỉ va chạm proton-proton, LHCb tìm thấy một hạt gọi là meson B_s sinh ra ở dạng vật chất hơi thường xuyên hơn ở dạng phản vật chất của nó. Meson B_s cấu tạo từ một quark đáy (bottom) và một phản quark lạ (strange), còn phản meson B_s cấu tạo từ một phản quark đáy và một quark lạ.

Các meson B_s hiếm xuất hiện, và 70 nghìn tỉ va chạm bên trong LHC đã tạo ra chỉ khoảng một nghìn hạt khó nắm bắt này. Nhưng số lượng này là đủ để chứng minh một sự dồi dào đáng kể của meson B_svật chất so với phản meson B_s.

Meson B_s là hạt dưới nguyên tử thứ tư được biết có biểu hiện một sự bất đối xứng vật chất-phản vật chất như thế.

Vi phạm CP lần đầu tiên được khám phá ra ở những hạt trung hòa gọi là kaon tại Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven ở Long Island, Mĩ, hồi thập niên 1960. Mất hơn 40 năm các nhà nghiên cứu ở Mĩ và Nhật Bản mới tìm thấy mẫu bất đối xứng tiếp theo này ở hạt meson B₀. Sau đó, thí nghiệm LHCb và các thí nghiệm khác đã tìm thấy bằng chứng cho sự vi phạm CP ở hạt meson B+.

Nhưng những trường hợp vi phạm CP này chưa đủ để giải thích sự át trội của vật chất so với phản vật chất trong vũ trụ.

“Chúng ta vẫn còn rất nhiều việc để làm trước khi hiểu ra bản chất đích thực của phản vật chất,” phát biểu của nhà vật lí Tara Shears tại trường Đại học Liverpool ở Anh, một thành viên của nhóm thí nghiệm LHCb. “Chúng tôi biết rằng mình chưa hiểu hết toàn bộ câu chuyện. Chúng tôi chỉ mới bổ sung thêm một thông tin nhỏ thôi – một mảnh ghép trong trò chơi ghép hình, nếu bạn thích nghĩ thế.”

Các nhà nghiên cứu hi vọng sẽ có thêm tiến bộ khi LHC khởi động trở lại vào năm 2015, với năng lượng hoạt động cao hơn, sau đợt nghỉ dưỡng nâng cấp hiện nay của nó.

Khám phá LHCb sẽ được đăng trên tạp chí Physical Review Letters.

Nguồn: Clara Moskowitz (LiveScience)