Trong gần một thập kỉ, vấn đề kích cỡ của proton, một hạt cấu thành vật chất nhìn thấy trong vũ trụ, vẫn gây tranh cãi suốt, với các thí nghiệm mang lại hai giá trị rất khác nhau. Sự bất đồng này có lẽ sẽ sớm được giải quyết: lần đầu tiên, một thí nghiệm tán xạ electron cho kết quả nghiêng về giá trị nhỏ hơn trong hai đáp số.
Kể từ thập niên 1950, các nhà vật lí hạt nhân đã làm các thí nghiệm tán xạ để đo bán kính proton – hay chính xác hơn, họ đo phạm vi không gian của điện tích của proton. Các thí nghiệm này nhắm một chùm electron rất hẹp vào hydrogen khí hoặc lỏng rồi đo những lệch hướng rất nhỏ của electron do tương tác của chúng với các hạt nhân hydrogen (chính là hạt proton) gây ra. Ý tưởng là bản chất của các lệch hướng đó sẽ cho biết mỗi điện tích proton trải qua bao xa trong không gian.
Kích cỡ proton cũng có thể được chuẩn hóa bằng cách đo một đặc điểm của quang phổ học nguyên tử gọi là dịch chuyển Lamb. Đây là một hiệu năng lượng nhỏ giữa hai trạng thái kích thích của hydrogen, và nó phụ thuộc vào bán kính điện tích của proton.
Hydrogen kiểu muon
Lúc chuyển giao thế kỉ 21, hàng tá kết quả từ cả hai loại thí nghiệm đã được Ủy ban Dữ liệu Khoa học và Công nghệ (CODATA) sử dụng để thiết lập một con số rất chính xác cho bán kính proton: 0,8768 fm, sai số chỉ là 0,0069 fm. Nhưng sau đó vào năm 2010, Randolf Pohl tại Viện Quang học Lượng tử Max Planck ở Garching, Đức, và các đồng sự đã báo cáo các phép đo quang phổ thực hiện không phải trên hydrogen bình thường mà trên hydrogen kiểu muon trong đó electron được thay thế bằng muon.
Thật khó tin, công trình mới mang lại giá trị 0,84184 fm, thấp hơn gần 4% so với bán kính CODATA. Ngoài ra, do muon nặng hơn nên nó bị hút lại gần proton hơn và vì thế chịu độ dịch chuyển Lamb lớn hơn. Điều này làm tăng thêm độ nhạy của phép đo, vì vậy làm nén thanh sai số lại – xuống chỉ còn 0,00067 fm.
Sự bất đồng lớn với giá trị được chấp nhận khi ấy đưa đến khả năng trêu ngươi rằng một lực nào đó trước đây chưa biết đã định hình các tương tác giữa proton và muon nhưng không ảnh hưởng đến tương tác giữa proton và electron. Tuy nhiên, những hi vọng về nền vật lí mới đã tiêu tan sau các phép đo quang phổ với hydrogen thông thường đem lại một bán kính proton phù hợp với các phép thử muon – lần đầu vào năm 2017 và mới đây hơn hồi tháng Chín năm nay. Công trình mới nhất này, dựa trên sự tán xạ electron chứ không phân tích quang phổ, đem lại một hậu thuẫn độc lập cho bán kính proton nhỏ.
Thí nghiệm tán xạ electron đo được một bán kính proton nhỏ. Ảnh: Jefferson Lab.
Tán xạ góc nhỏ
Nghiên cứu mới được tiến hành bởi một nhóm hợp tác tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia Thomas Jefferson ở Mĩ. Người đứng đầu nhóm, Ashot Gasparian thuộc Đại học Bắc Carolina A&T, giải thích rằng ông và các đồng sự đã thay thế quang phổ kế từ tính thường dùng trong các thí nghiệm như thế bằng một nhiệt lượng kế điện từ để phát hiện các electron tán xạ ở những góc rất nhỏ và do đó làm giảm sai số ở bán kính proton đo được. Họ còn dùng một buồng bia không có cửa sổ để hạn chế sự nhiễu nền và tăng độ hiệu chỉnh bằng cách đo sự tán xạ của electron hydrogen cũng như của hạt nhân.
Các phép đo được tiến hành vào năm 2016, và sau một phân tích dữ liệu rất thận trọng, đội nghiên cứu kết luận rằng proton có bán kính 0,831 ± 0,014 fm. Kết quả này phù hợp với kết quả hydrogen kiểu muon năm 2010 và một phép đo muon khác tiến hành ba năm sau đó, cùng với hai thí nghiệm quang phổ hydrogen mới đây.
Krzysztof Pachucki, một nhà vật lí lí thuyết tại Đại học Warsaw ở Ba Lan, cho biết kết quả Jefferson Lab “khiến giá trị nhỏ của bán kính proton có khả năng cao là giá trị đúng.” Tuy nhiên, ông nói vấn đề này chưa khép lại, biết rằng một nhóm ở Paris đo sự chuyển tiếp 1S-3S ở hydrogen hồi năm ngoái báo cáo một bán kính bằng 0,877 ± 0,013 fm – phù hợp với giá trị cũ.
Quả vậy, Gasparian giữ quan điểm rằng “hãy còn quá sớm để nói” đó là bán kính đúng, ông quả quyết rằng cần có thêm thí nghiệm để giải quyết vấn đề triệt để một lần cho xong. Ông cho biết các nhà nghiên cứu tại Viện Paul Scherrer ở Thụy Sĩ đang làm các thí nghiệm tán xạ sử dụng electron lẫn muon, theo ông “có lẽ một hoặc hai năm nữa” sẽ có kết quả. Các thí nghiệm tán xạ electron-proton khác sử dụng các chùm hạt năng lượng thấp cũng sắp khởi động ở Nhật Bản và Pháp.
Nghiên cứu được mô tả trên tạp chí Nature.
Nguồn: physicsworld.com
