Trong một nỗ lực đi tìm lời giải cho bí ẩn phản vật chất còn thiếu của Vũ trụ, các nhà vật lí vừa đạt được phép đo chính xác nhất từ trước đến nay của từ tính cố hữu của proton.
Công bố trên tạp chí Nature, số ra ngày 28/5, một nhóm nhà nghiên cứu đã làm chủ được một kĩ thuật đo moment từ của một hạt proton – tương đương vi mô của sức mạnh hút của một thanh nam châm – với độ chuẩn xác 3 phần tỉ.
Các thí nghiệm của nhóm là bộ phận của một nỗ lực nhằm lí giải tại sao Vũ trụ trông như chứa đầy vật chất thay vì phản vật chất. Phản vật chất tác dụng giống như ảnh qua gương của vật chất, giống hệt trừ một vài tính chất chủ yếu bị đảo ngược lại. Khi vật chất và phản vật chất gặp nhau, cả hai hủy nhau thành một xung năng lượng. Các nhà vật lí nghĩ rằng vật chất và phản vật chất phải được tạo ra với lượng ngang nhau lúc Big Bang (Vụ Nổ Lớn); và thực tế không thấy phản vật chất còn sót lại là một nan đề.
Các nhà vật lí đang đo những tính chất cơ bản của proton và phản proton để kiểm tra nguyên lí rằng các phản hạt hành xử giống hệt như ảnh qua gương của đối hạt của chúng diễn ra ngược chiều thời gian và với điện tích trái dấu.
Bất kì sự khác biệt nào giữa moment từ của proton và moment từ của phản proton sẽ làm sáng tỏ một bất đối xứng rằng Vũ trụ sơ khai có thể đã nghiêng cán cân về phía vật chất, theo lời nhà vật lí Andreas Mooser tại trường Đại học Johannes Gutenberg Mainz ở Đức, một đồng tác giả của nghiên cứu trên. “Theo hiểu biết hiện nay của ngành vật lí thì hai giá trị đó sẽ phải bằng nhau,” ông nói.
Moment từ của proton phát sinh từ một tính chất lượng tử căn bản gọi là spin, cái làm cho proton hành xử giống như một thanh nam châm nhỏ xíu với một cực bắc và một cực nam. Khi đặt trong một từ trường ngoài, spin của proton có thể hoặc sắp thẳng hàng xuôi theo từ trường hoặc lật lại sắp ngược với từ trường.
Các nhà nghiên cứu đã tính được moment từ của proton bằng cách quan sát một proton độc thân lật đảo giữa hai trạng thái này. Họ neo một proton lơ lửng trong một cái bẫy và thiết lập một từ trường làm cho thanh nam châm nhỏ xíu đó lật lại. Sau đó họ đẩy hạt proton vào một cái bẫy thứ hai có một gradient từ trường, và đo các dao động nhỏ xíu của nó để xác định sự thẳng hàng của spin của nó. Bằng cách cho proton chạy tới lui giữa hai cái bẫy – tiến hành lật đảo spin tới lui và đo lường – đội nghiên cứu có thể đo rất chính xác tần số mà từ trường làm lật đảo spin, từ đó họ tính ra moment từ của proton.
Số đo của họ chính xác gấp 760 lần số đo trực tiếp tốt nhất xếp thứ hai, được thực hiện vào năm 2012 bởi một đội đứng đầu là Gerald Gabrielse, một nhà vật lí tại trường Đại học Harvard. Nó chính xác gấp ba lần số đo gián tiếp xếp gần nhất được thực hiện hồi 42 năm về trước.
Thí nghiệm của họ “rõ ràng là một bước đột phá”, theo lời nhà vật lí Ryugo Hayano tại trường Đại học Tokyo và là phát ngôn viên cho thí nghiệm Quang phổ Nguyên tử và Các va chạm Sử dụng Phản Proton Chậm tại CERN ở Thụy Sĩ. Nhưng theo ông, nó chỉ mới là sự khởi đầu. “Họ sẽ hi vọng rằng họ có thể áp dụng phương pháp giống như vậy với phản proton và đạt được mức chuẩn xác tương đương,” ông nói.
Đội của Gabrielse đã đo moment từ của phản proton trong thí nghiệm Bẫy Phản Hydrogen (ATRAP) tại CERN và không tìm thấy khác biệt nào. Mooser và đội của ông có khả năng làm điều đó với độ chính xác tốt hơn, và kế hoạch của họ là di dời thí nghiệm của họ đến cơ sở sản xuất phản vật chất tại CERN làm một bộ phận của Thí nghiệm Đối xứng Baryon Phản Bayron (BASE). Khi Máy giảm tốc Phản Proton của CERN mở cửa trở lại vào mùa hè này, ATRAP, BASE và ba nhóm khác sẽ sử dụng nó trong một cuộc đua phát hiện bất kì sự khác biệt nào giữa vật chất và phản vật chất.
Những thí nghiệm này cũng sẽ khảo sát những tính chất cơ bản khác cho các khác biệt giữa vật chất và phản vật chất. Trong số này bao gồm quang phổ của phản hydrogen và phổ phát xạ điện từ của hydrogen và khối lượng của chúng. Hayano cho biết việc khám phá ra sự khác biệt, cho dù là nhỏ nhất, sẽ có những hàm ý “kịch tính” cho một lí thuyết vật lí cơ bản gọi là đối xứng CPT, lí thuyết dự đoán khối lượng của một hạt và phản hạt của nó phải bằng nhau.
Chẳng ai biết các thí nghiệm cần chính xác bao nhiêu trước khi họ nhìn thấy thiên nhiên phá vỡ đối xứng căn bản này – giả sử nó làm vậy. “Các lí thuyết gần đây cho biết định lí thiêng liêng này có thể bị vi phạm, nhưng chúng không dự đoán cỡ độ lớn của vi phạm đó,” Hayano nói. “Vì thế chúng tôi cố đi tìm nhiều cách khác nhau trong đó chúng tôi có thể đạt được độ chính xác khả dĩ cao nhất.”
Nguồn: Nature, doi:10.1038/nature.2014.15310
