Phản vật chất là chất liệu của tiểu thuyết khoa học viễn tưởng. Trong quyển sách và bộ phim Thiên thần và Ác quỷ (Angels and Demons), giáo sư Langdon cố gắng cứu lấy thành phố Vatican trước một vụ nổ bom phản vật chất. Phi thuyền vũ trụ Enterprise trong phim Star Trek sử dụng sức đẩy phân hủy vật chất-phản vật chất để du hành nhanh hơn ánh sáng.
Phản vật chất cũng là chất liệu của thực tế. Các hạt phản vật chất hầu như giống hệt với đối hạt vật chất của chúng, ngoại trừ là chúng mang điện tích và spin trái dấu. Khi phản vật chất gặp vật chất, chúng lập tức hủy nhau thành năng lượng.
Trong khi bom phản vật chất và phi thuyền sử dụng sức đẩy phản vật chất thì có chút cường điệu, vẫn có nhiều thực tế về phản vật chất sẽ giúp khai sáng cho tế bào não của bạn.
1. Lẽ ra phản vật chất đã hủy hết vật chất trong vũ trụ sau Vụ nổ Lớn
Theo lí thuyết Big Bang, vụ nổ lớn đã tạo ra vật chất và phản vật chất với lượng ngang nhau. Khi vật chất và phản vật chất gặp nhau, chúng hủy nhau, chẳng để lại gì ngoài năng lượng. Vì thế, trên nguyên tắc, lẽ ra chúng ta không tồn tại.
Nhưng chúng ta tồn tại. Và trong chừng mực mà các nhà vật lí có thể nói được, nguyên do duy nhất là bởi vì, vào phút chót, đã có thêm một hạt vật chất trong mỗi tỉ cặp vật chất-phản vật chất. Các nhà vật lí vẫn đang nỗ lực giải thích sự bất đối xứng này.
2. Phản vật chất ở gần bạn hơn bạn nghĩ
Những lượng nhỏ phản vật chất liên tục trút xuống Trái đất dưới dạng tia vũ trụ, các hạt năng lượng cao đến từ vũ trụ. Các hạt phản vật chất này đi tới khí quyển của chúng ta ở tỉ lệ từ chưa tới một hạt trên mét vuông đến hơn 100 hạt trên mét vuông. Các nhà khoa học đã nhìn thấy bằng chứng của sự sinh tạo phản vật chất phía trên các đám mây giông.
Nhưng các nguồn phản vật chất còn ở gần nhà bạn hơn. Chẳng hạn, chuối sản sinh phản vật chất, giải phóng một positron – tương đương phản vật chất của electron – trong mỗi khoảng 75 phút. Hiện tượng này xảy ra vì trong chuối có chứa một lượng nhỏ potassium-40, một đồng vị có mặt trong tự nhiên của potassium (Kali). Khi potassium-40 phân hủy, thỉnh thoảng nó nhả ra một positron.
Cơ thể của chúng ta cũng có chứa potassium-40, nghĩa là các positron cũng được cơ thể bạn phát ra. Phản vật chất phân hủy tức thời khi tiếp xúc với vật chất, vì thế các hạt phản vật chất này có thời gian sống rất ngắn.
3. Con người chỉ tạo ra được những lượng nhỏ phản vật chất
Các phân hủy phản vật chất-vật chất có khả năng giải phóng năng lượng rất lớn. Một gam phản vật chất có thể tạo ra một vụ nổ ngang tầm với bom hạt nhân. Tuy nhiên, con người chỉ mới có thể tạo ra những lượng phản vật chất hết sức ít ỏi.
Toàn bộ phản proton từng được tạo ra tại máy gia tốc hạt Tevatron ở Fermilab cộng lại chỉ có 15 nano gam. Các phản proton được tạo ra tại CERN thì chừng 1 nano gam. Tại DESY ở Đức, tính cho đến nay có xấp xỉ 2 nano gam positron được tạo ra.
Nếu cho toàn bộ phản vật chất mà con người từng tạo ra phân hủy cùng lúc, thì năng lượng giải phóng chẳng đủ để đun một tách trà.
Khó khăn nằm ở chỗ hiệu quả và chi phí sản xuất và cất trữ phản vật chất. Chế tạo 1 gam phản vật chất đòi hỏi năng lượng khoảng 25 triệu tỉ kWh và tiêu tốn hơn một triệu tỉ đô la.
4. Có cái gọi là bẫy phản vật chất
Để nghiên cứu phản vật chất, bạn cần ngăn nó phân hủy với vật chất. Các nhà khoa học đã tạo ra các cách làm công việc đó.
Các hạt phản vật chất mang điện như positron và phản proton có thể được giữ trong các dụng cụ gọi là bẫy Penning. Những cái bẫy này có thể ví như những chiếc máy gia tốc nhỏ xíu. Bên trong bẫy, các hạt chuyển động xoắn ốc xung quanh từ trường và điện trường ngăn chúng va chạm với thành bẫy.
Nhưng bẫy Penning không hoạt động đối với các hạt trung hòa như phản hydrogen. Bởi vì chúng không mang điện, nên các hạt này không thể giam cầm được bằng điện trường. Thay vậy, chúng được giữ trong bẫy Ioffe, trong đó từ trường mạnh dần về mọi hướng. Các hạt bị mắc kẹt trong những vùng có từ trường yếu nhất, giống hệt như một viên bi lăn vòng quanh tại đáy bát.
Từ trường Trái đất cũng tác dụng như một loại bẫy phản vật chất. Các phản proton đã được tìm thấy trong các vùng bao quanh Trái đất gọi là vành đai bức xạ Van Allen.
5. Phản vật chất có thể rơi lên
Các hạt phản vật chất và vật chất có cùng khối lượng nhưng khác nhau ở các tính chất như điện tích và spin. Mô hình Chuẩn dự đoán lực hấp dẫn có tác dụng như nhau lên vật chất và phản vật chất; tuy nhiên, điều này chưa từng được chứng kiến. Các thí nghiệm như AEGIS, ALPHA và GBAR đang nỗ lực xác nhận dự đoán này.
Việc quan sát tác dụng của lực hấp dẫn lên phản vật chất không dễ như việc ngắm một quả táo từ trên cây rơi xuống. Các thí nghiệm này cần giữ phản vật chất trong một cái bẫy và làm nó chậm lại bằng cách làm lạnh nó xuống những nhiệt độ gần sát không độ tuyệt đối. Và bởi vì lực hấp dẫn là lực yếu nhất trong các lực cơ bản, cho nên các nhà vật lí phải sử dụng các hạt phản vật chất trung hòa trong các thí nghiệm này để tránh sự nhiễu loạn do lực điện gây ra.
6. Phản vật chất được nghiên cứu trong các máy giảm tốc hạt
Bạn từng nghe nói tới máy gia tốc hạt, nhưng bạn có biết còn có cái gọi là máy giảm tốc hạt không? CERN có một cỗ máy gọi là Máy giảm tốc Phản proton, một vòng trữ có thể bắt giữ và làm chậm các phản proton để nghiên cứu tính chất và hành trạng của chúng.
Trong các máy gia tốc tròn như Máy Va chạm Hadron Lớn, các hạt nhận một cú hích năng lượng mỗi lần hoàn tất một vòng quay. Các máy giảm tốc hoạt động ngược lại; thay vì tăng năng lượng, các hạt nhận một cú hích ngược làm chậm tốc độ của chúng.
7. Neutrino có thể là phản hạt của riêng chúng
Mỗi hạt vật chất và đối hạt phản vật chất của nó mang điện tích trái dấu, nên chúng dễ dàng phân biệt được. Các neutrino, những hạt hầu như không khối lượng và hiếm khi tương tác với vật chất, không có điện tích. Các nhà khoa học tin rằng chúng có thể là các hạt Majorana, một họ hạt giả thuyết là phản hạt riêng của chúng.
Các dự án như Minh chứng Majorana và EXO-200 có mục tiêu xác định xem các neutrino có là hạt Majorana hay không bằng cách tìm kiếm một hành trạng gọi là phân rã beta kép không neutrino.
Một số hạt nhân phóng xạ tự phát phân rã, giải phóng hai electron và hai neutrino. Nếu các neutrino là phản hạt của riêng chúng, thì chúng sẽ phân hủy nhau sau phân rã beta kép, và các nhà khoa học sẽ chỉ quan sát thấy các electron.
Việc tìm kiếm các neutrino Majorana có thể giúp giải thích tại sao tồn tại sự bất đối xứng phản vật chất-vật chất. Các nhà vật lí nêu giả thuyết rằng các neutrino Majorana có thể nặng hoặc nhẹ. Các neutrino nhẹ tồn tại hiện nay, còn các neutrino nặng chỉ tồn tại ngay sau Big Bang. Các neutrino Majorana nặng này phân hủy bất đối xứng, dẫn tới sự thừa một chút vật chất cho phép vũ trụ của chúng ta tồn tại.
8. Phản vật chất được sử dụng trong y khoa
PET (Chiếu chụp positron) sử dụng hai positron để tạo ra ảnh phân giải cao của cơ thể. Các đồng vị phóng xạ phát xạ positron (giống như đồng vị có mặt trong quả chuối) được đính với các hóa chất như glucose mà cơ thể sử dụng tự nhiên. Các chất này được tiêm vào máu, trong đó chúng tự nhiên phân rã, giải phóng positron tới gặp electron trong cơ thể và phân hủy. Các phân hủy đó tạo ra tia gamma được dùng để dựng lại hình ảnh.
Các nhà khoa học tại dự án ACE ở CERN đã nghiên cứu phản vật chất với vai trò là một ứng cử viên tiềm năng để điều trị ung thư. Các bác sĩ phát hiện rằng họ có thể chiếu xạ các khối u bằng các chùm hạt sẽ giải phóng năng lượng của chúng sau khi an toàn đi qua mô khỏe mạnh. Sử dụng các phản proton bổ sung thêm một xung năng lượng nữa. Kĩ thuật tỏ ra hiệu nghiệm ở các tế bào chuột đồng, nhưng các nhà nghiên cứu chưa từng tiến hành khảo nghiệm trên tế bào người.
9. Phản vật chất lẽ ra ngăn chúng ta tồn tại có thể vẫn đang ẩn náu trong không gian
Một cách mà các nhà khoa học theo đuổi nhằm giải bài toán bất đối xứng phản vật chất-vật chất là tìm kiếm phản vật chất còn sót lại từ thời Big Bang.
Quang từ phổ kế Alpha (AMS) là một máy dò hạt lắp đặt trên Trạm Vũ trụ Quốc tế tìm kiếm các hạt này. AMS chứa từ trường làm bẻ cong đường đi của các hạt vũ trụ để phân tách vật chất khỏi phản vật chất. Các detector của nó ước định và nhận dạng các hạt khi chúng đi qua.
Các va chạm tia vũ trụ đều đặn sản sinh positron và phản proton, nhưng xác suất tạo ra một nguyên tử phản helium là cực kì thấp bởi vì nó đòi hỏi lượng năng lượng rất lớn. Điều này có nghĩa là việc quan sát thấy dù chỉ một hạt nhân phản helium thôi cũng là bằng chứng mạnh mẽ cho sự tồn tại của một lượng lớn phản vật chất ở đâu đó trong vũ trụ.
10. Con người thật sự đang nghiên cứu cách khai thác nhiên liệu phản vật chất cho phi thuyền vũ trụ
Chỉ một tí phản vật chất cũng có thể sản sinh một năng lượng khổng lồ, biến nó thành một nhiên liệu thông dụng cho các phương tiện đi lại thuộc về tương lai trong tiểu thuyết khoa học viễn tưởng.
Sức đẩy tên lửa phản vật chất trên lí thuyết là có thể; hạn chế là việc thu gom đủ phản vật chất để nó hoạt động.
Hiện nay chẳng có công nghệ sẵn có nào để sản xuất hàng loạt hay thu gom phản vật chất trong thể tích cần thiết cho ứng dụng này. Tuy nhiên, một số ít nhà nghiên cứu đã tiến hành các nghiên cứu mô phỏng về sức đẩy và cất trữ phản vật chất. Trong số này có Ronan Keane tại Viện Hàn lâm Western Reserve và Wei-Ming Zhang tại Đại học Kent State, và Marc Weber cùng các đồng sự tại Đại học Washington. Một ngày nào đó, nếu chúng ta có thể tìm ra phương thức chế tạo hoặc thu gom những lượng lớn phản vật chất, thì những nghiên cứu của họ có thể giúp sự du hành giữa các sao sử dụng sức đẩy phản vật chất trở thành hiện thực.
Nguồn: Symmetry Magazine
