Một quan sát mới do thí nghiệm LHCb thực hiện cho thấy các quark duyên hành xử khác với phản hạt của chúng.
Các nhà khoa học làm việc với thí nghiệm LHCb tại Máy Va chạm Hadron Lớn ở CERN vừa tìm thấy một cách mới trong đó vật chất và phản vật chất hành xử khác nhau.
Với độ tin cậy thống kê 99,9999 phần trăm, các nhà khoa học LHCb đã quan sát thấy một khác biệt giữa các phân hủy của các hạt vật chất và phản vật chất chứa quark duyên (charm). Khám phá này mở ra một lĩnh vực mới để nghiên cứu các khác biệt giữa vật chất và phản vật chất, và có thể giúp giải thích vì sao chúng ta sống trong một vũ trụ vật chất-thống trị.
“Đây là một đột phá quan trọng về vật lí thực nghiệm,” phát biểu của Sheldon Stone, một giáo sư tại Đại học Syracuse và là cộng tác viên của thí nghiệm LHCb. “Đã có nhiều nỗ lực nhằm thực hiện phép đo này, song cho đến nay, chưa có ai từng nhìn thấy nó. Đó là một cột mốc to lớn trong nghiên cứu phản vật chất.”
Mỗi cấu trúc trong vũ trụ – từ vệt bụi tí hon nhất cho đến ngôi sao mãnh liệt nhất – đều được làm từ vật chất. Thế nhưng có một chất liệu có chất lượng tương đương cho công việc đó: phản vật chất. Phản vật chất gần như y hệt với vật chất, ngoại trừ điện tích và các tính chất từ của nó đảo ngược lại. Các nghiên cứu chính xác về các nguyên tử phản hydrogen, chẳng hạn, cho biết các đặc trưng của chúng y hệt với các nguyên tử hydrogen cho đến quá chữ số thập phân thứ một tỉ.
Vật chất và phản vật chất không thể đồng thời tồn tại trong cùng một không gian vật lí bởi vì nếu chúng tiếp xúc nhau, chúng sẽ hủy lẫn nhau. Bản chất bằng-nhưng-đối-nghịch này của vật chất và phản vật chất đặt ra một câu hỏi hóc búa cho các nhà vũ trụ học, họ nêu lí thuyết rằng trong vụ nổ ra đời của vũ trụ, vật chất và phản vật chất phải được tạo ra với lượng ngang bằng nhau. Thế nhưng nếu điều đó đúng, thì toàn bộ vật chất và phản vật chất phải hủy nhau hết, chẳng để lại gì ngoài năng lượng.
Các nhà vật lí hạt đang tìm kiếm mọi khác biệt dù là nhỏ nhất giữa vật chất và phản vật chất, nhằm có thể giúp giải thích vì sao vật chất đã đánh bại phản vật chất trong vũ trụ xa xưa.
May mắn thay cho họ, phản vật chất không hẳn là chủng loài đã tuyệt chủng. “Chúng ta thường không nhìn thấy phản vật chất trong thế giới của mình,” phát biểu của Ivan Polykov, một nghiên cứu sinh hậu tiến sĩ tại Đại học Syracuse và là người đánh giá nội bộ LHCb cho phân tích mới này. “Nhưng nó có thể được tạo ra khi các hạt vật chất bình thường lao vào nhau ở những năng lượng cao, ví dụ như khi chúng va chạm bên trong Máy Va chạm Hadron Lớn.”
Để nghiên cứu các hạt bé nhỏ và hiếm hoi sinh ra trong các va chạm LHC, phương pháp chính được các nhà khoa học sử dụng là lập bản đồ cách chúng phân hủy và biến đổi thành những sản phẩm phụ bền vững hơn.
“Cách này đem lại cho chúng ta một loại gia phả cho các hạt mà chúng ta quan tâm,” theo lời Cesar da Silva, một nhà khoa học đến từ Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos đồng thời là cộng tác viên LHCb. “Một khi các hạt bền vững được đo bởi detector, chúng ta có thể lần theo tổ tiên của chúng để tìm thế hệ hạt nguyên thủy trong va chạm đó.”
“Theo cơ học lượng tử, chúng ta không thể dự đoán mỗi hạt không bền sẽ phân hủy thành cái gì, song chúng ta có thể tính được xác suất cho mỗi kết cục khả dĩ.”
Nghiên cứu LHCb mới khảo sát các phân hủy của các hạt gồm hai quark liên kết (quark là thành phần cấu trúc bên trong của các hạt như proton và neutron). Một phiên bản của hạt này (các nhà khoa học gọi là D0) chứa một quark duyên và phiên bản phản vật chất của quark lên (up), gọi là phản quark lên. Phiên bản kia chứa ngược lại, một quark lên và một phản quark duyên.
Các nhà khoa học ở thí nghiệm LHCb đã nhận ra hàng chục triệu hạt D0 lẫn phản D0 và đếm số lượt mỗi hạt biến đổi thành một tập hợp các sản phẩm phụ (một cặp hạt gọi là pion) so với biến đổi thành một tập hợp sản phẩm khác (một cặp hạt gọi là kaon).
Với mọi thông số khác đều bằng nhau, tỉ số của hai kết cục khả dĩ này phải y hệt nhau đối với hạt D0 lẫn phản D0. Thế nhưng các nhà khoa học tìm thấy hai tỉ số chênh lệch khoảng một phần mười của một phần trăm – bằng chứng cho thấy các hạt vật chất và phản vật chất chứa quark duyên này không hoàn toàn hoán lẫn cho nhau được.
“Nhìn từ bên ngoài chúng có thể trông y hệt nhau, nhưng chúng hành xử khác nhau,” Polykov nói. “Đây là một câu đố khó về phản vật chất.”
Ý tưởng cho rằng các hạt vật chất và phản vật chất hành xử hơi khác nhau chẳng có gì mới mẻ và đã được quan sát thấy trước đây trong các nghiên cứu về các hạt chứa quark lạ (strange) và quark đáy (bottom). Cái khiến nghiên cứu này độc đáo vì nó là lần đầu tiên sự bất đối xứng này được quan sát thấy ở các hạt chứa quark duyên.
Các thí nghiệm trước đây – bao gồm BaBar, Belle và CDF – đã cố gắng tiến hành phép đo giống như vậy nhưng không thu thập đủ dữ liệu để rút ra một kết quả tinh vi như thế. Lượng dữ liệu đồ sộ khởi sinh kể từ lúc khởi chạy LHC Run 2 kết hợp với sự ra đời của các phương pháp tiên tiến hơn gắn thẻ cho các hạt quan tâm đã cho phép các nhà khoa học thu thập đủ hạt D0 vật chất và phản vật chất để cuối cùng nhìn thấy rõ ràng những khác biệt phân hủy như vậy.
Bước tiếp theo là kiểm tra xem phép đo này có khớp với các mô hình lí thuyết hay không.
“Các nhà lí thuyết sẽ phải tính xem liệu Mô hình Chuẩn có thể giải thích kết quả này hay không,” Stone nói. “Chúng tôi đang thúc đẩy lĩnh vực của mình và kết quả này chắc chắn sẽ có mặt trong các sách lịch sử.”
Nguồn: Symmetry Magazine
