Vào năm 2010, các nhà vật lí ở Đức báo cáo rằng họ đã thực hiện được phép đo đặc biệt chính xác về kích cỡ proton, viên gạch cấu trúc mang điện dương của hạt nhân nguyên tử. Kết quả ấy khiến người ta rất bối rối.
Randolf Pohl thuộc Viện Quang học Lượng tử Max Planck và các cộng sự đã đo proton bằng các nguyên tử hydrogen đặc biệt trong đó electron thông thường quay xung quanh proton được thay bằng muon, một hạt y hệt electron nhưng nặng hơn 207 lần. Đội của Pohl tìm thấy các proton với muon quay xung quanh có bán kính 0,84 femto mét – nhỏ hơn 4% so với bán kính ở hydrogen bình thường, theo giá trị trung bình của hơn hai tá phép đo trước đó.
Nếu chênh lệch ấy là có thật, thì nghĩa là proton thật sự co lại khi có mặt muon, điều này ngụ ý có những tương tác vật lí chưa biết giữa proton và muon – một khám phá căn bản. Đã có hàng trăm bài báo tranh luận về khả năng này trong gần một thập niên qua.
Thế nhưng niềm hi vọng “câu đố bán kính proton” sẽ nâng cấp nền vật lí hạt và làm sáng tỏ những định luật mới về tự nhiên nay đã tan thành mây khói bởi một phép đo mới công bố trên tạp chí Science, số ngày 6 tháng Chín.
Sau kết quả hydrogen kiểu muon của Pohl hồi chín năm trước, một đội gồm các nhà vật lí dưới sự chỉ đạo của Eric Hessels thuộc Đại học York ở Toronto, Canada, đã tiến hành đo lại proton trong hydrogen “kiểu electron” bình thường. Cuối cùng, kết quả như sau: Hessels cùng đồng đội đã chốt bán kính proton ở 0,833 femto mét, thêm hoặc bớt 0,01 – một phép đo khớp chính xác với giá trị của Pohl. Cả hai phép đo đều chính xác hơn những nỗ lực trước đây, và chúng đề xuất rằng proton không thay đổi kích thước theo ngữ cảnh; thay vậy, các phép đo trước đây sử dụng hydrogen kiểu electron là sai.
Lúc mới nghe nói tới kết quả sơ bộ của Hessels tại một hội thảo vào mùa hè 2018, Pohl gọi đó là “một kết quả tuyệt cú mèo”, ngoại trừ là nó hướng tới lời giải thích trần trụi nhất cho câu đố bán kính proton.
Trạng thái 2S và 2P của hydrogen cho thấy nơi có thể tìm thấy electron tại một thời điểm bất kì cho trước. Những hình ảnh này cho thấy vị trí khả dĩ của electron trong từng trạng thái; proton nằm tại chính giữa mỗi ảnh không được đánh dấu. Trong trạng thái 2S, electron chồng lấn lên proton, và trong lượng thời gian khác không, electron ở bên trong chính proton. Trong trạng thái 2P, electron và proton không bao giờ chồng lấn.
Tương tự, Hessels cho biết ông và các đồng sự hết sức hài lòng rằng phép đo của họ “khớp với phép đo rất chính xác ở hydrogen muon,” dù rằng kết quả ấy có chút đắng cay. “Chúng ta biết rằng chúng ta chưa hiểu hết các định luật vật lí,” ông nói, “vậy nên chúng ta phải theo đuổi tất cả những gì có thể đem lại cho chúng ta những gợi ý.”
Bán kính proton là thứ chẳng dễ gì theo đuổi. Để suy luận ra giá trị của nó, Hessels và các đồng sự phải đo độ dịch chuyển Lamb: độ chênh lệch giữa các mức năng lượng kích thích bậc nhất và bậc hai của hydrogen, gọi là các trạng thái 2S và 2P. Hessels cho biết ông muốn đo độ dịch chuyển Lamb kể từ thời còn là sinh viên hồi thập niên 1980, nhưng cuối cùng câu đố bán kính proton đã thúc đẩy ông làm thế. “Đó là một phép đo cực khó,” ông nói. “Tôi cần có một lí do hay ho.”
Độ dịch chuyển Lamb, đặt theo tên nhà vật lí Mĩ Willis Lamb, người đầu tiên cố gắng đo nó vào năm 1947, tiết lộ bán kính proton theo cách như sau: Khi một electron quay xung quanh proton trong trạng thái 2S, nó dành một phần thời gian ở bên trong proton (proton là một chùm hạt sơ cấp gọi là quark và gluon, với rất nhiều không gian trống rỗng). Khi electron ở bên trong proton, điện tích của proton hút electron theo chiều ngược lại, phần nào triệt tiêu điện tích của chính nó. Do đó, lực hút điện giữa hai hạt giảm đi, làm giảm năng lượng liên kết nguyên tử với nhau. Proton càng lớn, electron dành càng nhiều thời gian ở bên trong nó, thì electron liên kết càng yếu, và nó càng dễ nhảy ra xa.
Bằng cách chiếu một laser vào đám mây khí hydrogen, Hessels và đội của ông làm cho các electron nhảy từ trạng thái 2S lên 2P, tại đây electron không bao giờ chồng lấn lên proton. Xác định năng lượng cần thiết cho electron thực hiện bước nhảy này cho biết electron liên kết yếu bao nhiêu ở trạng thái 2S, khi cư trú một phần bên trong proton. Điều này trực tiếp tiết lộ kích cỡ của proton.
Pohl tuân theo lô gic tương tự để suy luận ra bán kính proton từ độ dịch chuyển Lamb của hydrogen kiểu muon vào năm 2010. Nhưng vì muon nặng hơn, nên chúng chuyển động xung quanh proton trong trạng thái 2S chặt hơn so với electron. Điều này có nghĩa là chúng dành nhiều thời gian hơn ở bên trong proton, khiến độ dịch chuyển Lamb ở hydrogen kiểu muon nhạy với bán kính proton gấp vài triệu lần so với ở hydrogen bình thường.
Trong trường hợp electron, Hessels phải đo hiệu năng lượng giữa 2S và 2P đến độ chuẩn xác phần-triệu để suy luận ra giá trị chính xác cho bán kính proton.
Kết quả mới hàm ý rằng các nỗ lực trước đây đo bán kính proton ở hydrogen kiểu electron có xu hướng phóng đại giá trị thực. Chẳng rõ vì sao lại thế. Một số nhà nghiên cứu có thể sẽ tiếp tục cải tiến và xác thực các phép đo kích cỡ proton để giải cho xong câu đố, còn công việc của Hessels coi như đã xong. “Chúng tôi đang tháo dỡ trang thiết bị của mình,” ông nói.
Nguồn: Wire.com
