Photon – lượng tử của ánh sáng hay bức xạ điện từ khác – thường được xem là có khối lượng bằng không. Nhưng một số lí thuyết cho phép photon có một khối lượng nghỉ nhỏ và một hệ quả sẽ là photon có thể phân hủy thành những hạt sơ cấp nhẹ hơn. Nếu đúng như vậy thì thời gian sống của một photon sẽ là bao nhiêu? Đó là câu hỏi được nêu ra bởi một nhà vật lí ở Đức, ông đã tính ra giới hạn dưới cho thời gian sống của photon là ba năm trong hệ quy chiếu của photon đó. Tức là bằng khoảng một tỉ tỉ (1018) năm trong hệ quy chiếu của chúng ta.
Một nghiên cứu mới đề xuất rằng thời gian sống của photon là một tỉ tỉ năm
Vấn đề khối lượng
Khái niệm photon có thời gian sống hữu hạn, và do đó có khối lượng, thật khó hình dung. Thật vậy, các nhà thiên văn quan sát các vật thể vũ trụ ngoài xa thường phát hiện ra các photon đã hàng tỉ năm tuổi. Nhưng một số lí thuyết đề xuất rằng photon có khối lượng nghỉ khác không, dù là nhỏ - giới hạn trên cho khối lượng của photon là 10-18 eV hay 10-54 kg nhờ các thí nghiệm với điện trường và từ trường. Và với khối lượng nhỏ này, một photon có thể phân hủy thành những hạt sơ cấp khác nhẹ hơn, ví dụ như một cặp neutrino nhẹ nhất và phản neutrino, hoặc thậm chí là những hạt mà hiện nay chúng ta không biết tới và nằm ngoài Mô hình Chuẩn của ngành vật lí hạt cơ bản.
Nhà nghiên cứu Julian Heeck tại Viện Vật lí Hạt nhân Max Planck ở Heidelberg, Đức, đã chuyển sang các quan sát vũ trụ để tìm kiếm dấu hiệu của phân hủy photon này (Phys. Rev. Lett. 111 021801). Ông khảo sát bức xạ nền vi sóng vũ trụ (CMB), một tàn dư của Big Bang xuất hiện lúc vũ trụ còn rất non trẻ - chỉ khoảng 380.000 năm tuổi.
Bức xạ nền vũ trụ
Trước thời điểm vừa nói, vật chất và bức xạ liên hệ mật thiết với nhau. Nhưng khi vũ trụ trải qua một giai đoạn tăng trưởng cực nhanh gọi là “lạm phát” và giãn nở, thì plasma nóng gồm các electron và hạt nhân nhẹ đã đủ lạnh để cho phép các nguyên tử trung hòa ra đời. Sự “mất kết hợp” này của vật chất và bức xạ đột ngột cho phép các photon truyền đi tự do trong khắp vũ trụ. Theo thời gian, bước sóng của chúng bị giãn ra bởi sự giãn nở của vũ trụ, để lại một ánh bức xạ le lói trong vùng vi sóng của quang phổ theo mọi hướng mà chúng ta có thể phát hiện ngày nay.
Có hơn 100 thí nghiệm nghiên cứu CMB kể từ khi nó được phát hiện ra lần đầu tiên, ví dụ như vệ tinh COBE (Cosmic Background Explorer) của NASA, WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) của NASA, và gần đây là hơn là sứ mệnh Planck của Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA); chúng đã thực hiện các phép đo ngày càng chính xác hơn của bức xạ này. Thật vậy, phổ CMB là phổ bức xạ vật đen trong tự nhiên từng được người ta đo chính xác nhất.
Thời gian sống dài
Heeck đã sử dụng quang phổ này làm một ràng buộc cho các tính toán của ông – ông sử dụng dữ liệu cực kì chính xác từ sứ mệnh COBE và so sánh nó với quang phổ do ông tính được, tức có xét đến phân hủy photon.
Nếu photon có khối lượng và đang phân hủy thành những hạt nhẹ hơn, thì mật độ số lượng photon trong CMB sẽ giảm khi các photon truyền đi. Nhưng hóa ra như vậy sẽ đồng nghĩa là phổ CMB sẽ không còn khớp với đường cong nhiệt gần như hoàn hảo mà người ta đã quan sát thấy. Heeck lí giải rằng vì CMB gần như là một vật đen hoàn hảo, cho nên có rất ít photon, nếu có, sẽ phân hủy trong 13,8 tỉ năm tồn tại của vũ trụ và vì thế các phép đo CMB có thể ràng buộc thời gian sống của photon.
Sử dụng kết hợp các ràng buộc khối lượng và CMB, Heeck tính được thời gian sống của photon trong hệ quy chiếu nghỉ của riêng nó là ba năm. Nhưng vì những photon có khối lượng nhỏ xíu này truyền đi gần bằng tốc độ ánh sáng, nên sự giãn nở thời gian phải được tính đến để có được thời gian sống của chúng trong hệ quy chiếu của chúng ta – và con số này được tính là vào khoảng 1018 hay một tỉ tỉ năm. Muốn tính chính xác hơn con số này là không đơn giản, vì như thế đòi hỏi phải khảo sát vũ trụ đến những thời điểm sớm hơn.
Nghiên cứu công bố trên tạp chí Physical Review Letters.
Theo physicsworld.com
