Một thí nghiệm hồi năm 1964 về một hạt khác lạ cho thấy một vi phạm đối xứng và đưa đến kết luận rằng vật chất và phản vật chất là không tương đương với nhau cho lắm.
Đối xứng đã từng là một nguyên lí lí thuyết chỉ dẫn cho các nhà vật lí hạt, nhưng trong một vài trường hợp, tự nhiên hóa ra không đối xứng như người ta trông đợi. Khám phá hồi năm 1964 của sự vi phạm đối xứng CP – liên quan đến mối liên hệ giữa vật chất và phản vật chất – là một vi phạm hết sức nguy hiểm mà thậm chí ngày nay nó tiêu biểu cho cái gì đó bí ẩn của lí thuyết vật lí. Công bố trên tạp chí Physical Review Letters hồi gần 50 năm trước, khám phá giành giải Nobel ấy đã gợi lên một đáp án cho một trong những câu hỏi quan trọng nhất trong lĩnh vực vũ trụ học: tại sao trong vũ trụ có ít phản vật chất như thế?
Vào đầu thập niên 1950, các nhà vật lí đã đối mặt với một câu đố khó liên quan đến meson K trung hòa, hay kaon. Qua một quá trình liên quan đến tương tác yếu, kaon có thể biến thành phản kaon, và ngược lại, cái dường như có nghĩa rằng chúng không phải là những trạng thái hạt sơ cấp thật sự. Vì thế, các nhà lí thuyết đã định nghĩa những hạt mới: K1 là tổng của trạng thái kaon và phản kaon, và K2 là hiệu.
Lúc ấy, các định luật vật lí được cho là giống hệt nhau đối với vật chất và phản vật chất. Nguyên lí này, gọi là đối xứng liên hợp điện tích, hay đối xứng C, qua một số lập luận đơn giản dẫn tới sự tiên đoán rằng K1 có thể phân hủy thành hai pion, còn K2 thì không thể. K2 chỉ có thể phân hủy theo những kiểu phức tạp hơn, ví dụ thành ba pion. Phân hủy này ít gặp hơn, vì thế trạng thái K2 sẽ tồn tại lâu hơn K1. Khớp với dự đoán, các thí nghiệm cho thấy K2 sống lâu hơn và chủ yếu phân hủy thành ba pion, mặc dù một số lượng nhỏ phân hủy hai pion không được để ý tới.
Các kĩ thuật viên đang canh chỉnh các nam châm của Synchrotron Xen kẽ Gradient (AGS) tại Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven vào năm 1959. AGS là máy gia tốc mạnh nhất thế giới trong phần lớn thập niên 1960, và nó mang đến ba giải Nobel, trong đó có một giải cho khám phá năm 1964 của sự vi phạm CP.
Sau đó một vấn đề mới phát sinh. Một thí nghiệm báo cáo vào năm 1957 cho biết rằng tương tác yếu không tuân theo đối xứng gương, hay đối xứng P, cho tính chẵn lẻ, và các nhà vật lí sớm nhận ra rằng nếu P không được tuân thủ thì C cũng vậy, từ đó có khả năng đánh đổ mô hình K1-K2. Nhưng có một kết cục: nếu đối xứng kết hợp CP được quan sát chặt chẽ, thì mô hình ban đầu sẽ không được giữ vững, và giống như trước đó, K2 không thể phân hủy thành hai pion.
James Cronin và Valentine Fitch thuộc trường Đại học Princeton, cùng với các cộng sự của họ, đã kiểm tra tiên đoán đó. Sử dụng Synchrotron Xen kẽ Gradient tại Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven ở Long Island, họ đã cho các proton va vào bia beryllium để tạo ra một hỗn hợp meson K1 và K2. K1 nhanh phân hủy, để lại một chùm K2.
Trong số các phân hủy K2 ba pion như trông đợi, đội khoa học Princeton tìm thấy một số lượng nhỏ phân hủy hai pion. Họ kết luận rằng có khoảng hai trong mỗi 1000 phân hủy K2 tạo ra các cặp pion, vi phạm đối xứng CP. Cronin và Fitch đã giành giải Nobel vật lí năm 1980 cho khám phá của họ.
Vi phạm CP là một bất ngờ, và là một bất ngờ khó chịu, theo lời Lincoln Wolfenstein thuộc trường Đại học Carnegie-Mellon ở Pittsburgh. Cho đến năm 1973 thì các nhà lí thuyết mới tìm ra cách dung hòa vi phạm CP vào các mô hình vật lí hạt [1]. Tuy nhiên, lí thuyết năm 1973 không được chấp nhận trong một thời gian, bởi vì nó đòi hỏi một “thế hệ” thứ ba của các hạt sơ cấp, ngoài hai thế hệ đã biết. Những hạt được dự đoán đó, bao gồm quark top và neutrino tau, đã được quan sát thấy trong 20 năm sau đó.
Đối xứng CP hàm ý sự tương đương của các phản ứng hạt và các phiên bản phản hạt, ảnh qua gương của chúng. Vi phạm CP buộc các nhà lí thuyết chấp nhận rằng tự nhiên không có đối xứng vật chất-phản vật chất tuyệt đối, cho nên vật chất và phản vật chất không tương đương cho lắm. Điều then chốt là một sự mất cân bằng nhỏ giữa lượng vật chất và phản vật chất trong vũ trụ sơ khai có thể lí giải tại sao ngày nay có ít phản vật chất: sau khi toàn bộ phản vật chất hủy với vật chất, còn lại một lượng nhỏ vật chất. Tuy nhiên, độ lớn đo được của vi phạm CP là quá nhỏ để lí giải cho mật độ vật chất quan sát thấy của vũ trụ, vì thế các nhà thực nghiệm tiếp tục nghiên cứu hiệu ứng ở những hạt khác, ví dụ như meson B. Thật ra, vẫn chưa có lời giải thích nào cho độ lớn của vi phạm CP, Wolfenstein nói. “Có rất nhiều con số ngẫu nhiên trong các lí thuyết của chúng ta.”
Theo David Lindley (DOI: 10.1103/Physics.6.122)
Tham khảo
1. Makoto Kobayashi và Toshihide Maskawa, “CP-Violation in the Renormalizable Theory of Weak Interaction,” Prog. Theor. Phys. 49, 652 (1973).
