Va chạm của ánh sáng

Một trong những khám phá mới nhất từ LHC khiến những gì thầy cô điện động lực học dạy bạn ở trường về tính chất của các photon trở nên lỗi thời.

Giáo sư Anne Sickles hiện đang giảng dạy một lớp thực hành tại Đại học Illinois, trong đó các sinh viên của bà sẽ đo cái xảy ra khi hai photon gặp nhau.

Cái họ sẽ tìm thấy là các sóng ánh sáng chồng chất trở nên sáng hơn khi hai đỉnh sóng gặp nhau và mờ hơn khi một đỉnh sóng này gặp hõm sóng kia. Bà sẽ bảo các sinh viên của mình rằng đây là quá trình gọi là giao thoa, và rằng – không giống như các hạt tích điện, chúng có thể hợp nhất, liên kết và tương tác – các sóng ánh sáng chỉ có thể cộng hoặc trừ nhau.

“Chúng tôi dạy sinh viên lí thuyết cổ điển,” Sickles nói. “Thế nhưng có những tình huống trong đó các hiệu ứng bị cấm trong lí thuyết cổ điển vẫn được phép trong thuyết lượng tử.”

Sickles là một cộng tác viên thí nghiệm ATLAS tại CERN và nghiên cứu cái xảy ra khi các hạt ánh sáng gặp nhau bên trong Máy Va chạm Hadron Lớn. Trong phần lớn thời gian trong năm, LHC cho va chạm các proton, nhưng độ chừng một tháng mỗi mùa thu, LHC chuyển sang cho va chạm các hạt nhân nguyên tử nặng, ví dụ như các ion chì. Mục đích chính của các va chạm chì này là nghiên cứu một chất lỏng nóng và đậm đặc gọi là plasma quark-gluon, nó khó được tạo ra trong các va chạm proton. Thế nhưng những đợt chạy ion này cũng cho phép các nhà khoa học biến LHC thành một loại máy mới: máy va chạm photon-photon.

“Kết quả này chứng minh rằng các photon có thể tán xạ lên nhau và thay đổi phương truyền của nhau,” phát biểu của Peter Steinberg, một nhà khoa học ATLAS tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven.

Khi các hạt nhân nặng được gia tốc trong LHC, chúng được bao bọc bên trong một hào quang điện từ do điện tích dương lớn của chúng tạo ra.

Khi các hạt nhân chuyển động càng lúc càng nhanh, các trường xung quanh chúng bị ép thành dạng đĩa, làm cho chúng tập trung lại hơn nhiều. Khi hai ion chì lướt qua đủ gần để trường điện từ của chúng sớt qua nhau, thì các photon năng lượng cao tạo nên các trường này có thể tương tác. Trong những tình huống hiếm hoi, một photon từ một ion chì sẽ hợp nhất với một photon từ phía ion chì đang đến, và chúng sẽ bắn ra ở những hướng khác nhau.

Tuy nhiên, theo Steinberg, hiện tượng không đơn giản như hai hạt chất rắn bật lên nhau. Các hạt ánh sáng vừa không có điện tích vừa không có khối lượng, và phải đi qua một khe cơ lượng tử (gọi theo nghĩa đen là một cái vòng lượng tử) để tương tác với nhau.

“Đó là lí do vì sao quá trình này hiếm như thế,” ông nói. “Chúng chẳng có cách nào bật lên nhau nếu không có sự trợ giúp.”

Khi hai photon nhìn thấy nhau bên trong LHC, thỉnh thoảng chúng phản ứng quá mạnh với kích thích và tự tách chúng thành một cặp electron và positron. Các cặp electron-positron này là những thực thể chưa được hình thành trọn vẹn, chúng chỉ là các thăng giáng lượng tử không bền mà các nhà khoa học gọi là các hạt ảo. Bốn hạt ảo đó sẽ xoáy cuộn vào nhau và tái hợp thành hai photon mới, chúng tán xạ ở những góc lạ vào detector.

“Nó tựa như một vũ điệu bốn người cơ lượng tử vậy,” Steinberg nói.

Khi ATLAS lần đầu tiên nhìn thấy dấu hiệu của quá trình này vào năm 2017, họ chỉ mới có 13 sự kiện ứng viên với các đặc trưng chính xác (các va chạm đem lại hai photon năng lượng thấp bên trong detector và chẳng còn gì khác).

Sau hai năm tiếp tục thu thập dữ liệu, nay đã thu được 59 sự kiện ứng viên, biến quan sát ban đầu này thành một khám phá trọn vẹn với đầy đủ ý nghĩa thống kê.

Steinberg xem khám phá này là một thắng lợi to lớn cho điện động lực học lượng tử, một lí thuyết về hành trạng lượng tử của ánh sáng, nó dự đoán tương tác này. “Lí thuyết chính xác đến tuyệt vời này, đã được phát triển vào nửa đầu thế kỉ hai mươi, đưa ra một dự đoán mà cuối cùng sau nhiều thập kỉ chúng ta đã có thể xác nhận.”

Sickles cho biết bà đang hướng tới khảo sát các loại tương tác ánh sáng-ánh sáng này và làm rõ xem chúng có thể cho chúng ta biết điều gì khác nữa về các định luật vật lí. “Đó là một thứ đáng xem xét,” bà nói. “Đó là một thứ nữa để mà nghiên cứu.”

Nguồn: Symmetry Magazine