Khám phá muon từng khiến các nhà vật lí bối rối. Ngày nay, các thí nghiệm quốc tế sử dụng hạt vốn từng khó hiểu này để thu nhận hiểu biết mới về thế giới của chúng ta. Bài của Jerald Pinson trên tạp chí Symmetry, tháng 6/2020.
Vào đầu thế kỉ 20, các nhà vật lí đã biết đến một trận mưa hạt tràn ngập trút xuống từ không gian bên ngoài. Bằng cách bơm đầy hơi bão hòa vào buồng thủy tinh, họ có thể gián tiếp nhìn thấy vết tích để lại bởi những hạt năng lượng cao này, ngày nay chúng được gọi là tia vũ trụ. Khi nghiên cứu tia vũ trụ, các nhà vật lí nhanh chóng phát hiện rằng thế giới hạ nguyên tử vốn phức tạp hơn ban đầu họ nghi ngờ.
Hạt vật chất mới đầu tiên mà họ tìm thấy là muon. Nó rất giống với electron, chỉ có điều là nặng hơn. Ban đầu, chẳng ai biết nó được làm bằng gì.
Một số người nghĩ nó có thể là một hạt đã được lí thuyết hóa để liên kết proton và neutron với nhau trong nguyên tử. Nhưng hai nhà nghiên cứu người Italy thực hiện thí nghiệm ở Rome vào Thế chiến Thứ hai đã chứng minh điều ngược lại.
Sau khi bác bỏ một vài lí thuyết khác – trong đó có một lí thuyết khẳng định rằng hạt này có thể là một loại electron mới – các nhà vật lí đi tới một kết luận: Họ đã tìm thấy một hạt chưa có ai từng dự đoán hết. Như nhà khoa học giành giải Nobel I.I. Rabi từng châm biếm nổi tiếng, “Ai đã ra lệnh thế?”
Mặc dù các nhà khoa học không nhận ra muon sẽ có mặt trong bảng menu, nhưng khám phá về muon cuối cùng đã dẫn tới một khám phá về cách menu đó được sắp đặt: Các hạt có thể xuất hiện ở những phiên bản khác nhau, mỗi phiên bản giống nhau về điện tích, spin và tương tác, nhưng khác nhau về khối lượng. Ví dụ, muon có cùng điện tích, spin và tương tác điện yếu như electron, nhưng nó nặng hơn khoảng 200 lần, và còn có một phiên bản nặng hơn của electron và muon, gọi là hạt tau.
Các nhà vật lí dựa trên nguyên lí này để dự đoán sự tồn tại của các thế hệ hạt khác, ví dụ như neutrino, cùng với electron, muon và tau, chúng tạo nên tập hợp hạt gọi là lepton. Cuối cùng, các nhà khoa học tìm thấy rằng mọi hạt vật chất trong Mô hình Chuẩn, kể cả các quark, có thể được tổ chức thành ba thế hệ, mặc dù chỉ có thế hệ nhẹ nhất là bền vững.
Muon tiếp tục là công cụ hữu ích cho khám phá cho đến ngày nay. Hai thí nghiệm quốc tế, một hiện đang hoạt động và một sẽ bắt đầu hoạt động vào đầu thập niên 2020, đang sử dụng những hạt từng gây khó hiểu này để thúc đẩy ranh giới của vật lí học.
Vật lí mùi và thí nghiệm Mu2e
Mỗi một trong ba thế hệ hạt được gọi là một “mùi” của hạt.
Thoạt đầu, các nhà khoa học giả định rằng mùi là một đặc tính, giống như khối lượng hay năng lượng, phải được bảo toàn khi các hạt tương tác với nhau. Điều này không hoàn toàn đúng, nhưng theo họ, họ thấy nó gần như đúng trong mọi trường hợp.
“Khi bạn có một kiểu tương tác nào đó liên quan đến các lepton tíchd diện, ví dụ như hạt nhân hoặc phân rã hạt hoặc một loại tương tác năng lượng cao nào đó, số lượng mùi cho trước của những lepton tích điện giữ không đổi”, theo lời Jim Miller, giáo sư vật lí tại Đại học Boston.
Ví dụ, khi muon phân hủy, chúng chuyển hóa thành một electron, một phản neutrino electron, và một neutrino muon. Electron và phản neutrino electron triệt tiêu nhau, mất mùi, chỉ để lại neutrino muon có cùng mùi như muon ban đầu.
Sự bảo toàn mùi thật hữu ích; nó cho phép các nhà vật lí dự đoán những tương tác mà họ sẽ quan sát thấy trong máy gia tốc hạt và phản ứng hạt nhân. Và những dự đoán đó tỏ ra chính xác.
Nhưng sau đó các nhà vật lí phát hiện thấy nhóm hạt (lepton không tích điện) gọi là neutrino không tuân theo quy tắc như thế. Trên hành trình đường dài của chúng đi đến Trái đất từ tâm của Mặt trời, nơi chúng được sinh ra trong các phản ứng nhiệt hạch, các neutrino tự do dao động giữa các thế hệ, chuyển hóa từ neutrino electron thành neutrino muon thành neutrino tau và ngược lại mà không giải phóng thêm bất kì hạt nào khác.
Hiện tượng này đã mang về Giải Nobel Vật lí năm 2015 cho các nhà nghiên cứu Takaaki Kajita và Arthur B. McDonald, và nó để lại cho các nhà khoa học một câu hỏi: Nếu neutrino có thể vi phạm sự bảo toàn mùi, thì còn có hạt nào khác cũng vi phạm như thế không?
Các nhà vật lí hi vọng trả lời được câu hỏi chính xác đó với Mu2e, một thí nghiệm theo lịch định sẽ bắt đầu thu thập dữ liệu trong vài năm tới tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia Fermi thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kì (DOE). Thí nghiệm được sự tài trợ của Phòng Khoa học thuộc DOE.
Mu2e sẽ tìm kiếm các muon biến đổi thành electron mà không giải phóng hạt khác, một quá trình sẽ vi phạm rõ rệt sự bảo toàn mùi.
Thế tại sao lại sử dụng muon? Bởi vì chúng nằm ở ngay giữa của họ lepton. Không quá to hoặc quá nhỏ, các muon thuộc loại hạt Goldilocks vô cùng thích hợp để hỗ trợ các nhà vật lí trong cuộc tìm kiếm nền vật lí mới của họ.
Electron, lepton tích điện có khối lượng thấp nhất, thì nhỏ và bền. Hạt tau, lepton khối lượng lớn nhất, thì có khối lượng quá lớn và thời gian sống quá ngắn thành ra chúng phân hủy quá nhanh khiến các nhà vật lí khó nghiên cứu hiệu quả. Tuy nhiên, muon thì vừa đủ nặng để phân hủy nhưng không quá nặng để phân hủy quá nhanh, khiến chúng là công cụ hoàn hảo trong cuộc tìm kiếm nền vật lí mới.
Trong thí nghiệm Mu2e, các nhà vật lí sẽ gia tốc một chùm muon năng lượng thấp về phía bia làm bằng nhôm. Trong những va chạm thu được, muon sẽ đánh bật electron ra khỏi quỹ đạo của chúng xung quanh hạt nhân nhôm và chiếm chỗ của chúng, tạo ra các nguyên tử muon trong những khoảnh khắc ngắn ngủi.
“Vì khối lượng của muon lớn gấp 200 lần khối lượng electron, và khoảng cách trung bình của chúng đến hạt nhân nhỏ hơn 200 lần, nên có một sự chồng lấn giữa vị trí của muon và vị trí của hạt nhân nhôm, cho phép chúng tương tác,” Miller cho biết.
Khi muon phân hủy thành electron, các nhà vật lí dự đoán rằng phần năng lượng dư thường dành cho việc tạo ra hai neutrino trong một phân hủy muon tiêu biểu sẽ được truyền sang hạt nhân của nguyên tử. Điều này sẽ cho phép sự biến đổi từ mùi này sang mùi khác, muon thành electron, mà không có bất kì neutrino hay phản neutrino nào để đem lại sự cân bằng. Nếu quan sát thấy, thì sự chuyển hóa trực tiếp như vậy của một muon thành electron sẽ là khám phá được kì vọng về sự vi phạm mùi trong số các lepton tích điện.
Moment từ nổi tiếng
Mu2e không phải là thí nghiệm duy nhất sẽ sử dụng muon để kiểm tra hiểu biết của chúng ta về vật lí học.
Tám năm trước khi khám phá muon, nhà vật lí Paul Dirac đã phát triển một lí thuyết mô tả chuyển động của electron. Trong một phương trình đẹp đẽ, Dirac mô tả thành công chuyển động đó – đồng thời hợp nhất thuyết tương đối hẹp của Albert Einstein với cơ học lượng tử và dự đoán sự tồn tại của phản vật chất.
Thật khó nói hết tầm quan trọng và mức chính xác cực kì của phương trình Dirac. Các nhà vật lí vẫn còn choáng váng mỗi khi đề cập đến nó.
Để hiểu được tại sao nó quan trọng như thế, hãy xét electron.
Phương trình Dirac mô tả chính xác cách lực điện từ vận hành và đem lại ước tính đúng cho biết spin của một electron bị xê dịch – hay “tiến động” – bao nhiêu nếu đặt trong một từ trường, một số đo gọi là g. (Dự đoán đó sau này được trau chuốt thông qua các phép tính từ lĩnh vực điện động lực học lượng tử.)
Khi muon được khám phá vào năm 1936, phương trình Dirac đã được sử dụng để tính xem tốc độ tiến động của nó bằng bao nhiêu. Giá trị g cho muon được dự đoán bằng 2.
Thế nhưng khi các nhà vật lí bắt đầu tạo ra muon trong các máy gia tốc tại CERN hồi thập niên 1950 để kiểm tra dự đoán của ông, các kết quả không đúng như họ kì vọng. Phải chăng họ tìm thấy một khác biệt giữa quan sát và lí thuyết? Mặc dù các nhà vật lí đã làm việc vất vả trong 20 năm tiếp theo đó, nhưng họ không thể tạo ra đủ năng lượng với máy gia tốc để thu được một câu trả lời có sức thuyết phục.
Các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven đã có thể kiểm tra dự đoán của Dirac ở những năng lượng cao hơn từ năm 1999 đến 2001 với một thí nghiệm hướng tới xác định trực tiếp phần dị thường của moment từ gọi là Muon g-2 (đọc là “Muon g âm 2”). Họ tìm thấy những gợi ý về phép đo dị thường giống vậy, nhưng ngay cả với công nghệ đã cải tiến của họ, họ vẫn thiếu độ chính xác để chứng minh một sự sai lệch với lí thuyết.
Lẽ nào phương trình Dirac là sai? Các nhà vật lí nghĩ rằng các kết quả của họ về muon thật ra đang gợi ý một cấu trúc sâu sắc hơn trong vật lí học cho đến nay chưa được khám phá và rằng việc nghiên cứu muon một lần nữa có thể đưa đến những phát kiến mới.
“Yếu tố g-2 đã được đo cho những hạt khác,” theo lời nhà vật lí Fermilab Tammy Walton. “Nó đã được đo rất chính xác cho electron. Nó cũng đã được đo cho các hạt phức, như proton và neutron. Còn khối lượng lớn của muon khiến chúng nhạy hơn với nền vật lí mới.”
Fermilab mới đây đã bắt đầu thí nghiệm Muon g-2 thế hệ tiếp theo, các nhà vật lí hi vọng cùng với J-PARC ở Nhật Bản nó sẽ xác nhận rõ rệt việc lí thuyết có khớp với tự nhiên hay không. Được tài trợ bởi Phòng Khoa học thuộc DOE, thí nghiệm tại Fermilab đã và đang thu thập dữ liệu kể từ năm 2017.
“Chúng tôi hi vọng thu được số lượng muon gấp 20 lần, đem lại cho chúng tôi độ giảm bốn bậc về sai số thống kê,” theo lời Erik Swanson, một kĩ sư nghiên cứu tại Đại học Washington. “Nếu giá trị trung tâm của chúng tôi giữ bằng với giá trị được tạo ra tại Brookhaven, thì chúng tôi sẽ xác nhận được rõ ràng sự khác biệt giữa lí thuyết và quan sát. Bằng không chỉ có lí thuyết là tiếp tục đúng mà thôi.”
Nếu lí thuyết sụp đổ, thì các nhà vật lí sẽ có rất nhiều việc phải giải thích, nó có thể đưa họ đến với một hiểu biết mới về các hạt và các lực cấu tạo nên vũ trụ của chúng ta và các lực cho phối chúng. Không có ai ra lệnh không phải là chuyện gì xấu đối với một hạt.
Nguồn: Symmetry Magazine. Bản dịch của Thuvienvatly.com.
