Các electron cực kì tròn trịa, và một số nhà vật lí không hài lòng về điều đó.
Một thí nghiệm mới vừa thu được cái nhìn chi tiết nhất từ trước đến nay về các electron, trong đó các nhà khoa học sử dụng laser để làm rõ bằng chứng cho các hạt vây xung quanh hạt nhân nguyên tử này. Bằng cách chiếu sáng các phân tử, các nhà khoa học đã có thể làm rõ các hạt hạ nguyên tử khác làm thay đổi như thế nào phân bố điện tích của mỗi electron.
Sự đối xứng tròn trịa của các electron cho thấy các hạt không nhìn thấy ấy chẳng đủ lớn để ép electron thành các hình dạng thuôn dài, hay oval. Các kết quả này một lần nữa xác nhận một lí thuyết vật lí đã có lâu nay, gọi là Mô hình Chuẩn, lí thuyết mô tả cách hành xử của các hạt và các lực trong vũ trụ.
Đồng thời, khám phá mới này có thể đánh đổ một số lí thuyết vật lí thay thế muốn lấp vào những khoảng trống hiện tượng mà Mô hình Chuẩn không thể giải thích được. Kết quả này tống ngược một số nhà vật lí có lẽ đang rất cáu kỉnh trở lại vạch xuất phát, theo lời đồng tác giả David DeMille, một giáo sư khoa Vật lí tại Đại học Yale ở New Haven, Connecticut.
“Chắc chắn không phải ai cũng hài lòng với nó,” DeMille nói.
Ảnh minh họa một electron chuyển động giữa hai laser trong một thí nghiệm. Electron quay xung quanh trục của nó, khi một đám mây hạt hạ nguyên tử khác liên tục được phát ra và hấp thụ. Ảnh: Nicolle R.Fuller, NSF
Một lí thuyết đã được kiểm tra chặt chẽ
Vì chúng ta không thể quan sát trực tiếp các hạt hạ nguyên tử, nên các nhà khoa học tìm hiểu về chúng thông qua bằng chứng gián tiếp. Bằng cách quan sát cái xảy ra trong chân không xung quanh các electron tích điện âm – người ta cho rằng chân không ấy nhung nhúc những đám mây hạt cho đến nay vẫn chưa nhìn thấy được – các nhà nghiên cứu có thể tạo ra các mô hình về hành trạng hạt.
Mô hình Chuẩn mô tả phần lớn các tương tác giữa mọi viên gạch cấu trúc của vật chất, cũng như các lực tác dụng lên những hạt ấy. Trong hàng thập kỉ, lí thuyết này đã dự đoán thành công cách vật chất hành xử.
Tuy nhiên, có một vài ngoại lệ phiền toái đối với sự thành công xuất sắc của Mô hình Chuẩn. Nó không giải thích được vật chất tối, một chất liệu bí ẩn và vô hình tác dụng lực hút hấp dẫn, nhưng không phát ra ánh sáng. Và Mô hình Chuẩn không gom được lực hấp dẫn vào cùng các lực cơ bản khác tác động lên vật chất.
Các lí thuyết vật lí thay thế đưa ra giải đáp cho những trường hợp trong đó Mô hình Chuẩn thất bại. Mô hình Chuẩn dự đoán rằng các hạt vây xung quanh electron thật sự ảnh hưởng đến hình dạng của electron, nhưng một cấp độ vô cùng nhỏ như thế là nằm ngoài phạm vi quan sát của công nghệ hiện nay. Thế nhưng các lí thuyết khác gợi ý rằng có tồn tại những hạt nặng cho đến nay chưa quan sát thấy. Ví dụ, Mô hình Chuẩn Siêu đối xứng thừa nhận rằng mỗi hạt trong Mô hình Chuẩn có một đối hạt phản vật chất. Các hạt nặng giả thuyết ấy sẽ làm biến dạng electron đến một mức độ mà các nhà nghiên cứu có thể quan sát được.
Rọi sáng các electron
Để kiểm tra những dự đoán ấy, các thí nghiệm mới đã săm soi các electron ở độ phân giải cao gấp 10 lần so với những nỗ lực trước đây, hoàn thiện vào năm 2014; cả hai nghiên cứu đều được tiến hành bởi dự án nghiên cứu ACME (Tìm kiếm Moment Lưỡng cực Điện Electron Phân tử Lạnh Cao cấp).
Các nhà nghiên cứu đi tìm một hiện tượng khó nắm bắt (và chưa được chứng minh) gọi là moment lưỡng cực điện, trong đó hình dạng cầu của electron bị méo mó – “lõm vào ở đầu này và phình ra ở đầu kia,” DeMille giải thích – do các hạt nặng làm ảnh hưởng đến điện tích của electron.
Những hạt này sẽ lớn hơn rất nhiều bậc độ lớn so với các hạt mà Mô hình Chuẩn dự đoán, “vì thế đó là một cách rất rõ ràng để biết có cái gì đó mới đang xảy ra vượt ngoài Mô hình Chuẩn hay không,” DeMille nói.
Trong nghiên cứu mới, các nhà nghiên cứu ACME chiếu một chùm phân tử lạnh thorium-oxide ở tỉ lệ 1 triệu phân tử trên xung, 50 xung mỗi giây, vào một buồng tương đối nhỏ trong một tầng hầm tại Đại học Harvard. Các nhà nghiên cứu chiếu laser vào dòng phân tử và nghiên cứu ánh sáng phản xạ bởi các phân tử; nếu ánh sáng bị cong xoắn thì đó sẽ là dấu hiệu của moment lưỡng cực điện.
Thế nhưng chẳng có sự biến đổi gì ở ánh sáng phản xạ, và kết quả này phủ mây mù lên các lí thuyết vật lí dự đoán các hạt nặng vây xung quanh electron. Có lẽ các hạt đó vẫn tồn tại, nhưng chúng sẽ rất khác với kiểu chúng được mô tả trong các lí thuyết hiện có, DeMille nói. “Kết quả của chúng tôi cho cộng đồng khoa học biết rằng chúng ta nên nghiêm túc suy nghĩ lại về một số lí thuyết thay thế,” DeMille nói.
Những khám phá không sáng sủa
Ngoài việc đánh giá hành trạng hạt xung quanh các electron, thí nghiệm này còn đưa đến những ngụ ý quan trọng cho việc tìm kiếm vật chất tối. Giống như các hạt hạ nguyên tử, vật chất tối không thể được quan sát trực tiếp. Nhưng các nhà thiên văn vật lí biết nó hiện diện ở đó, bởi vì họ đã quan sát thấy tác dụng hấp dẫn của nó lên các sao, các hành tinh và ánh sáng.
“Giống hệt như chúng tôi, [các nhà thiên văn vật lí] đang nhìn vào tâm điểm mà nhiều lí thuyết đã và đang dự đoán – trong một thời gian dài và vì những lí do rất hay ho – một tín hiệu sẽ xuất hiện,” DeMille nói. “Thế nhưng, họ chẳng nhìn thấy gì cả, và chúng tôi cũng chẳng nhìn thấy gì cả.”
Vật chất tối và các hạt hạ nguyên tử mới đều không được Mô hình Chuẩn dự đoán và cho đến nay chưa hề được phát hiện trực tiếp; tuy nhiên, có một số ít bằng chứng thuyết phục rằng những hiện tượng này thật sự tồn tại. Nhưng trước khi các nhà khoa học có thể tìm thấy chúng, thì có lẽ chúng ta phải loại trừ một số ý tưởng đã tồn tại lâu nay về cách nhận dạng chúng.
“Càng ngày càng thấy rõ sự kì vọng về các hạt mới là sai lầm,” DeMille nói.
Các kết quả công bố trên tạp chí Nature, số ngày 17/10/2018.
Nguồn: LiveScience
