Phản vật chất rơi-lên hay rơi-xuống?

Các nhà vật lí tại thí nghiệm ALPHA ở CERN vừa có một bước tiến quan trọng hướng đến đo khối lượng hấp dẫn của phản hydrogen, hạt gồm một positron vây xung quanh một phản proton. Mặc dù họ không nhìn thấy bất kì bằng chứng nào rằng các phản nguyên tử phản ứng với lực hấp dẫn khác với các nguyên tử, nhưng khả năng phản vật chất phản ứng hấp dẫn mạnh hơn nhiều so với vật chất đã bị bác bỏ. Các nhà nghiên cứu đã đo thời gian cần thiết cho các nguyên tử phản hydrogen đi tới rìa của một cái bẫy từ sau khi cái bẫy được tắt đi.

Trong khi các phản nguyên tử nghe có vẻ như chất liệu của truyện khoa học viễn tưởng, nhưng chúng đã được phát hiện đầu tiên tại CERN hồi năm 1995 và phòng thí nghiệm tại Geneva hiện đang triển khai một số thí nghiệm nghiên cứu các tính chất của chúng.

Bất chấp nhiều nghiên cứu lí thuyết và thực nghiệm đề xuất rằng lực hấp dẫn tác dụng lên phản vật chất giống hệt như tác dụng lên vật chất, nhưng không có phép đo trực tiếp nào đo xem lực hấp dẫn ảnh hưởng đến phản vật chất đang rơi như thế nào. Nhưng việc tìm kiếm sự khác biệt cho dù là nhỏ nhất giữa hành trạng của vật chất và của phản vật chất là quan trọng bởi vì nó có thể làm sáng tỏ những bí ẩn như tại sao có quá ít phản vật chất trong vũ trụ - và bản chất đích thực của vật chất tối và năng lượng tối là gì.

Những thí nghiệm như thế đòi hỏi nhiều thủ thuật. Vừa thu thập đủ số phản nguyên tử để tiến hành một thí nghiệm, cái cho đến thời gian gần đây vẫn hết sức khó khăn, các nhà vật lí còn phải đảm bảo rằng các phản nguyên tử chuyển động rất chậm khi chúng được giải phóng. Nếu chúng có những lượng lớn chuyển động nhiệt khi thả ra, thì mọi sự chênh lệch nhỏ xíu ở cách các phản nguyên tử rơi sẽ bị dìm mất trong chuyển động ngẫu nhiên này. Do đó, các nguyên tử phải được làm lạnh để giảm chuyển động nhiệt ngẫu nhiên của chúng.

Các nguyên tử phản hydrogen có khối lượng bằng với các nguyên tử hydrogen bình thường hay không? Hay là chúng có thể có trọng lượng “âm”? Ảnh: Chukman So

Khảo sát dữ liệu cũ

Các nhà vật lí thuộc thí nghiệm phản hydrogen ALPHA tại CERN đã phân tích số liệu thu từ đợt chạy năm 2010-2011 của thí nghiệm để xem có thể lọc ra bất kì tính chất hấp dẫn nào của phản hydrogen hay không. ALPHA được thiết kế chủ yếu để bẫy và giữ những lượng lớn phản nguyên tử phản hydrogen, chúng được tạo ra bởi sự kết hợp các positron từ một nguồn phóng xạ phát ra với các phản proton sinh ra bởi thiết bị Máy giảm tốc Phản proton của CERN. Mục tiêu tối hậu của thí nghiệm là tiến hành phân tích phổ trên phản hydrogen và so sánh các mức năng lượng của nó với của hdyrogen.

Khi cái bẫy từ của ALPHA tắt đi, đám mây phản hydrogen bắt đầu giãn ra. Khi một phản nguyên tử đi tới mặt rắn bên trong của cái bẫy thì nó hủy mất, tạo ra một lóe bức xạ có thể phát hiện được. Đội khoa học đã ghi lại vị trí của mỗi sự kiện hủy cặp và thời gian khi nó xảy ra – từ đó cho các nhà nghiên cứu biết mỗi nguyên tử đi theo quỹ đạo nào. Đội nghiên cứu bắt đầu với số liệu mô tả 434 phản nguyên tử nhưng chỉ tìm thấy khoảng 23 hạt chuyển động đủ chậm để làm cho phép phân tích lực hấp dẫn có nghĩa.

Hấp dẫn hay phản hấp dẫn?

Từ số liệu phân tích, đội nghiên cứu đã có thể lập ra giới hạn trực tiếp đầu tiên lên tỉ số giữa khối lượng hấp dẫn và khối lượng quán tính của phản hydrogen. Vật chất bình thường có tỉ số này bằng 1 – bất cứ giá trị nào lớn hơn 1 sẽ có nghĩa là lực hấp dẫn tác dụng lên phản hydrogen là mạnh hơn và nó sẽ rơi xa hơn vật chất. Cái thú vị hơn nữa là giá trị âm của tỉ số đó, cho thấy một lực tác dụng lên hướng ngược lại lực hấp dẫn – hay nói cách khác là lực phản hấp dẫn.

Trong phân tích của mình, đội nghiên cứu đã có thể bác bỏ những tỉ số dưới khoảng – 65 và lớn hơn khoảng +110. Trong khi những tỉ số cực độ như thế là không được trông đợi, phát ngôn viên thí nghiệm, Jeffrey Hangst cho biết nghiên cứu trên là một “bằng chứng trên nguyên tắc” rằng có thể sử dụng một cái bẫy từ để đo khối lượng hấp dẫn của phản hydrogen.

Cái các nhà vật lí thật sự muốn làm là khảo sát những giá trị tỉ số trong ngưỡng -1 đến 1 – nói cách khác là để cho phép họ bác bỏ hoàn toàn lực phản hấp dẫn và sau đó tìm kiếm một sự sai lệch nhỏ khỏi giá trị 1. Hangst cho biết đội của ông tin rằng sẽ có thể tập trung vào ngưỡng -1 đến 1 khi nghiên cứu thực nghiệm khởi động trở lại ở CERN vào năm 2015. Thí nghiệm này sẽ có thể thực hiện một phần nhờ vào những cải tiến ở cách thực hiện phép đo. Ngoài ra, thế hệ tiếp theo của thí nghiệm, ALPHA-2, đã được thiết kế để bẫy những lượng lớn hơn phản hydrogen lạnh, chúng cũng sẽ cải thiện phép đo trên.

Một cái bẫy được chế tạo có mục đích?

Trong khi đội ALPHA có được số liệu khối lượng hấp dẫn “miễn phí” vì những thí nghiệm khác cũng đang tắt bẫy, nhưng họ không thể tối ưu hóa hoàn toàn phép đo bởi vì nó có thể có tác động có hại đối với những phương diện khác của chương trình thực nghiệm. Nhìn xa hơn về tương lai, Hangst cho biết đội của ông có thể xét một cái bẫy được chế tạo có mục đích để nghiên cứu khối lượng hấp dẫn của phản hydrogen.

Các nhà nghiên cứu ALPHA không phải là những người duy nhất tại CERN hướng tới công nhận hoặc bác bỏ lực phản hấp dẫn. Đặc biệt, thí nghiệm AEGIS tìm cách đo khối lượng hấp dẫn của phản hydrogen. Thay vì bẫy các phản nguyên tử, thí nghiệm này sẽ gửi một chùm xung ngang phản hydrogen lạnh đi qua một “bộ lệch Moiré”, cái chỉ cho những phản nguyên tử trong một ngưỡng vận tốc rất hẹp đi qua. Khi nó đi qua, người ta muốn thấy chùm hạt rơi 20 μm dưới tác dụng của lực hấp dẫn và đội khoa học sẽ tìm kiếm bất kì sự sai lệch nào khỏi khoảng rơi này. Phát ngôn viên AEGIS cho biết nhóm của ông hoan nghênh “sự cạnh tranh lành mạnh” và nói “có lẽ ALPHA có thể làm được”.

Nếu đội này hoặc đội kia tìm thấy một sự chênh lệch khối lượng hấp dẫn của hydrogen và phản hydrogen, thì nó sẽ là một lợi ích bất ngờ cho các nhà vật lí đang cố gắng lí giải tại sao gần như toàn bộ phản vật chất sinh ra hồi Big Bang đã biến mất kể từ đấy.

Nghiên cứu công bố trên tạp chí Nature Communications.

Nguồn: physicsworld.com