Phải chăng các nhà vật lí đã tìm thấy lực cơ bản thứ năm?

Các kết quả nghiên cứu mới đây gợi ý rằng có khả năng các nhà vật lí đã khám phá một hạt sơ cấp trước đây chưa biết tới có thể là bằng chứng của một lực cơ bản thứ năm của tự nhiên, theo một bài báo mới đăng trên tạp chí Physical Review Letters bởi các nhà vật lí lí thuyết tại Đại học California, Irvine (UCI).

“Nếu đúng như vậy thì nó mang tính cách mạng,” phát bỉe của giáo sư vật lí và thiên văn học Jonathan Feng. “Trong hàng thập kỉ, chúng ta đã biết bốn lực cơ bản: lực hấp dẫn, lực điện từ, lực hạt nhân mạnh và lực hạt nhân yếu. Nếu được xác nhận bởi các thí nghiệm khác nữa, thì khám phá một lực thứ năm khả dĩ này sẽ làm thay đổi hoàn toàn nhận thức của chúng ta về vũ trụ, cùng với các hệ quả cho sự thống nhất các lực và vật chất tối.”

Các nhà nghiên cứu UCI đã đi tới một nghiên cứu hồi giữa năm 2015, được thôi thúc bởi các nhà vật lí hạt nhân thực nghiệm tại Viện Hàn lâm Khoa học Hungary đang tìm kiếm “photon tối”, các hạt chỉ dấu vật chất tối không nhìn thấy, cái các nhà vật lí cho biết chiếm khoảng 85% thành phần khối lượng của vũ trụ. Công trình của đội Hungary làm sáng tỏ một dị thường phân rã phóng xạ hướng tới sự tồn tại của một hạt nhẹ chỉ vừa gấp 30 lần khối lượng electron.

“Nếu được xác nhận bởi các thí nghiệm khác nữa, thì khám phá một lực thứ năm khả dĩ này sẽ làm thay đổi hoàn toàn nhận thức của chúng ta về vũ trụ,” phát biểu của giáo sư Jonathan Feng, kể cả cái đang giữ các thiên hà lại với nhau, ví dụ như thiên hà xoắn ốc này, tên gọi là NGC 6814. Ản: ESA/Hubble & NASA

“Các nhà thực nghiệm chưa thể khẳng định nó là một lực mới,” Feng nói. “Họ chỉ đơn giản nhìn thấy sự dư thừa các sự kiện chỉ dấu một hạt mới, nhưng họ chưa rõ nó là một hạt vật chất hay là một hạt mang lực.”

Nhóm UCI đã nghiên cứu số liệu của các nhà nghiên cứu Hungary cũng như toàn bộ những thí nghiệm khác trước đó trong lĩnh vực này và đã chứng minh rằng bằng chứng ấy bác bỏ mạnh mẽ cả hạt vật chất lẫn photon tối. Tuy nhiên, họ đề xuất một lí thuyết mới tổng hợp toàn bộ số liệu hiện có và xác định rằng khám phá ấy có thể chỉ dấu một lực cơ bản thứ năm. Phân tích ban đầu của nó được công bố hồi cuối tháng tư trên trang bản thảo trực tuyến arXiv, và một bài báo tiếp sau đó nhấn mạnh các kết luận của công trình trước đó cũng được công bố trên arXiv.

Công trình UCI chứng minh rằng thay vì là một photon tối, hạt kia có thể là một “boson protophobic X”. Trong khi lực điện bình thường tác dụng lên electron và proton, thì boson mới tìm thấy này chỉ tương tác với electron và neutron – và ở một phạm vi cực kì hạn chế. Giáo sư vật lí và thiên văn học Timothy Tait, đồng tác giả của bài báo, cho biết “Không có boson nào khác mà chúng ta từng quan sát có đặc trưng giống như vậy. Thỉnh thoảng chúng tôi còn gọi nó là ‘boson X’, trong đó X nghĩa là chưa biết.”

Feng lưu ý rằng cần có thêm nhiều thí nghiệm nữa. “Hạt đó không nặng lắm, và các phòng thí nghiệm đã có năng lượng cần thiết để tạo ra nó từ hồi thập niên 1950 và 1960,” ông nói. “Nhưng lí do khó tìm thấy nó là vì các tương tác của nó rất mong manh. Do hạt mới quá nhẹ, nên có nhiều nhóm thí nghiệm đang làm việc trong các phòng thí nghiệm nhỏ trên khắp thế giới có thể dõi theo những khẳng định ban đầu ấy, giờ thì họ biết nơi nào để nhìn vào.”

Giống như nhiều đột phá khoa học, khám phá này mở ra những lĩnh vực nghiên cứu hoàn toàn mới.

Một hướng nghiên cứu kích thích Feng là khoảng cách lực thứ năng khả dĩ này có thể gia nhập cùng lực điện từ cùng lực hạt nhân mạnh và lực hạt nhân yếu thành “những hiện thân của một lực cơ bản hơn, tổng quát hơn.”

Trích dẫn kiến thức mô hình chuẩn của các nhà vật lí, Feng cho rằng cũng có thể có một phân khu tối cùng với vật chất và lực của riêng nó. “Có khả năng hai phân khu này nói chuyện với nhau và tương tác với nhau thông qua các tương tác cơ bản nhưng có phần còn chưa rõ,” ông nói. “Lực phân khu tối này có thể tự biểu hiện dưới dạng lực protophobic này mà chúng ta nhìn thấy là một kết quả của thí nghiệm Hungary. Hiểu theo nghĩa rộng hơn, nó phù hợp với nghiên cứu ban đầu của chúng ta nhằm tìm hiểu bản chất của vật chất tối.”

Tham khảo: Particle Physics Models for the 17 MeV Anomaly in Beryllium Nuclear Decays, arxiv.org/abs/1608.03591

Nguồn: PhysOrg.com