Trong một thí nghiệm kiểm tra chặt chẽ một tính chất cơ bản của mô hình chuẩn của ngành vật lí hạt sơ cấp, gọi là đối xứng CPT, các nhà nghiên cứu thuộc nhóm hợp tác BASE do phòng thí nghiệm RIKEN chỉ đạo tại CERN đã tiến hành những phép đo chính xác nhất từ trước đến nay của tỉ số điện-tích-trên-khối-lượng của các proton và phản hạt của chúng.
Nghiên cứu công bố trên tạp chí Nature, được tiến hành với Máy giảm tốc Phản Proton của CERN, một dụng cụ cung cấp các phản proton năng lượng thấp cho các nghiên cứu phản vật chất.
Bất biến CPT – cái thí nghiệm trên muốn đo – có nghĩa là một hệ vẫn giữ nguyên như cũ nếu ba tính chất cơ bản bị đảo ngược lại – C (điện tích) phân biệt vật chất với phản vật chất, P (tính chẵn lẻ) hàm ý một phép lật 180 độ trong không gian, và T (thời gian). Bất biến CPT là một trụ cột nền tảng của mô hình chuẩn, và nó hàm ý rằng các hạt phản vật chất phải là ảnh qua gương hoàn hảo của vật chất, chỉ khác là điện tích trái dấu.
Sơ đồ mặt cắt của hệ thống bẫy Penning mà đội BASE sử dụng.
“Đây là một vấn đề quan trọng,” phát biểu của Stefan Ulmer, người đứng đầu nghiên cứu trên, “vì nó giúp chúng ta hiểu được tại sao chúng ta sống trong một vũ trụ trên thực tế chẳng có phản vật chất, bất chấp sự thật là Vụ Nổ Lớn phải đưa đến sự ra đời của cả hai loại hạt. Nếu chúng ta tìm thấy các vi phạm CPT, thì nó sẽ có nghĩa là vật chất và phản vật chất có thể có những tính chất khác nhau – chẳng hạn như phản proton có thể phân hủy nhanh hơn proton – nhưng cái chúng tôi tìm thấy trong giới hạn khá chặt chẽ là tỉ số điện-tích-trên-khối-lượng của chúng là bằng nhau.”
Để tiến hành nghiên cứu trên, đội khoa học đã sử dụng một bố trí tương tự như cái được nhóm hợp tác TRAP phát triển hồi thập niên 1990. Họ thu nhận các phản proton và các ion âm hydrogen – là hạt trung chuyển cho proton – từ Máy giảm tốc Phản Proton, rồi sau đó cho bắt giữ các cặp phản proton độc thân-ion hydrogen trong một bẫy từ Penning, làm giảm tốc chúng xuống năng lượng cực thấp. Sau đó, họ đo tần số cyclotron của các cặp hạt – một phép đo cho phép các nhà khoa học xác định tỉ số điện-tích-trên-khối-lượng – và so sánh chúng để biết chúng gần nhau như thế nào. Tổng cộng họ đã đo chừng 6500 cặp hạt trong khoảng thời gian 35 ngày.
“Cái chúng tôi tìm thấy,” Ulmer nói, “là tỉ số điện-tích-trên-khối-lượng y hệt nhau với sai số chỉ 69 phần nghìn tỉ.” Phép đo này có độ phân giải năng lượng cao gấp bốn lần các phép đo trước đây của các cặp proton-phản proton, và đặt thêm ràng buộc với khả năng của các vi phạm của bất biến CPT. “Cuối cùng,” ông nói, “chúng tôi lên kế hoạch thu lấy các phép đo chính xác hơn ít nhất mười hoặc một trăm lần so với tiêu chuẩn hiện nay.”
Nghiên cứu trên cũng có các hàm ý với cái gọi là nguyên lí tương đương yếu – quan điểm rằng tất cả các hạt sẽ bị ảnh hưởng bởi trọng lực theo kiểu giống nhau, bất kể khối lượng và điện tích của chúng. Đội khoa học đã sử dụng các kết quả của họ tính được trong phạm vi sai số một phần triệu rằng phản vật chất và vật chất hành xử với trọng lực theo kiểu giống nhau.
Theo thành viên đội BASE, Christian Smorra, “Có nhiều lí do để tin vào nền vật lí vượt ngoài mô hình chuẩn, bao gồm cả bí ẩn của vật chất tối và, tất nhiên, sự mất cân bằng giữa vật chất và phản vật chất. Những phép đo chính xác cao này đặt ra những ràng buộc quan trọng mới và sẽ giúp chúng ta xác định hướng đi của nghiên cứu trong tương lai.”
Nguồn: Nature, DOI: 10.1038/nature14861
