Nếu một hạt không có khối lượng, vậy làm thế nào nó tồn tại được?
Hãy hình dung một hạt. Cái gì xuất hiện trong đầu bạn? Nếu bạn không phải nhà vật lí hạt lí thuyết, thì rất có khả năng bạn hình dung đến một quả cầu tí hơn, tưng tưng trong không gian.
Thế nhưng điều đó không đúng lắm. Đây là một cách chứng minh nó: Bạn hãy thử hình dung một quả cầu tí hơn là một hạt không khối lượng.
Thỉnh thoảng từ “khối lượng” được sử dụng hoán đổi với từ “trọng lượng”. Điều đó không hoàn toàn sai. Khối lượng của một vật được đo bởi mức cản trở của nó trước một lực. Khi bạn nhặt thứ gì đó lên để kiểm tra trọng lượng của nó, nó đang cản lại trọng lực của Trái Đất, vì thế trọng lượng của mỗi vật thường ngày trên Trái Đất thật sự là một số đo khối lượng của nó.
Song khối lượng đâu chỉ là sự kháng lại trọng lực, nhất là ở cấp độ của những mảnh nhỏ nhất của vật chất. Vì thế định nghĩa của các nhà vật lí về khối lượng có chút phức tạp hơn.
Đa số các hạt vật chất sơ cấp, như electron, muon và quark, có được khối lượng của chúng từ sức cản của chúng trước một trường tràn ngập vũ trụ gọi là trường Higgs. Trường Higgs hút lên một hạt càng mạnh, thì hạt đó có khối lượng càng lớn. Còn với những hạt phức như proton và neutron, chúng được làm từ các quark, thì phần lớn khối lượng của chúng đến từ sức hút của lực mạnh liên kết các quark với nhau.
Photon và gluon, hai hạt mang lực, là hạt sơ cấp, vì thế chúng không chứa lực kéo co nội bộ của một hạt phức. Chúng cũng không bị ảnh hưởng bởi trường Higgs. Thật vậy, chúng dường như không có khối lượng.
Các hạt không khối lượng chỉ có năng lượng thuần túy. “Một hạt có năng lượng thế là đủ để có ý nghĩa tồn tại rồi,” phát biểu của phó giáo sư vật lí Flip Tanedo tại Đại học California, Riverside.
Các lượng tử năng lượng này không có cạnh, và chúng chẳng có mặt, theo lời Tien-Tien Yu, một phó giáo sư vật lí tại Đại học Oregon.
Một cách tốt hơn để nghĩ tới các hạt là xem chúng như những gợn nhấp nhô trên một trường lượng tử, theo Natalia Toro, một nhà lí thuyết tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kì, và là phó giáo sư tại khoa vật lí hạt lí thuyết thuộc định luật Stanford. Mỗi trường lượng tử có các mode dao động giống như các họa âm trên một dây đàn ghita. Gãy nó với một tần số thích hợp, thế là bạn có một hạt.
Hai hạt mà các nhà vật lí biết là không khối lượng (chí ít là gần đúng) – photon và gluon – đều là hạt mang lực, còn gọi là boson chuẩn. Photon đi cùng với lực điện từ, còn gluon đi cùng với lực mạnh. (Graviton, một boson chuẩn đi cùng với lực hấp dẫn, cũng được kì vọng là không khối lượng, song sự tồn tại của nó cho đến nay vẫn chưa được xác nhận.)
Các hạt không khối lượng này thỉnh thoảng có những tính chất độc đáo. Chúng hoàn toàn bền vững, và không giống một số hạt, chúng không mất năng lượng phân hủy thành những cặp hạt khối lượng thấp hơn.
Do toàn bộ năng lượng của chúng là động, nên chúng luôn chuyển động ở tốc độ ánh sáng. Và theo thuyết tương đối hẹp, “thứ gì chuyển động ở tốc độ ánh sáng thì thật sự không già đi,” theo Tanedo. “Vì thế mỗi photon thật sự không già đi đối với chúng ta. Nó là vô thời, theo nghĩa như thế.”
Trở lại với chủ đề lực hấp dẫn: Lực hấp dẫn ảnh hưởng đến mọi thứ có năng lượng – dù là một hạt không có chút khối lượng nào. Đó là lí do lực hút hấp dẫn của các vật thể như các thiên hà và các đám vật chất tối làm bẻ cong quỹ đạo ánh sáng đi qua gần chúng trong không gian.
Có khả năng photon và gluon chẳng phải là những hạt không khối lượng duy nhất trong vũ trụ. Có thể một ngày nào đó (có lẽ trong tương lai xa) các nhà khoa học tìm thấy graviton vừa nhắc ở trên. Hoặc biết đâu hạt nhẹ nhất trong ba loại neutrino lại có khối lượng zero.
“Có thể có rất nhiều thứ [không khối lượng] ở ngoài kia – chỉ là chẳng có cách nào tìm kiếm chúng, hoặc chúng ta chưa biết cách tìm kiếm chúng,” Yu nói. “Có khả năng còn có cả một thế giới khác ở ngoài kia.”
Nguồn: Symmetry Magazine
