Các nhà vật lí hạt tại máy gia tốc Tevatron thuộc Fermilab ở Mĩ vừa tìm thấy một kết quả mới hấp dẫn có thể giải thích một trong những bí ẩn lớn của vũ trụ học – tại sao có vật chất trong vũ trụ của chúng ta. Các kết quả thu từ thí nghiệm D0 của Fermilab, thí nghiệm được thiết kế để nghiên cứu những tương tác chính xác của proton và phản proton khi chúng va chạm nhau ở những tốc độ gần với tốc độ ánh sáng.
Máy dò hạt D0 ghi nhận các hạt xuất hiện từ các va chạm proton-phản proton năng lượng cao do Tevatron tạo ra. Với phép đo này của sự vi phạm CP, các nhà khoa học đã phân tích 10 nghìn tỉ va chạm thu thập trong hơn 8 năm qua. (Ảnh: Fermilab)
Các nhà nghiên cứu, đứng đầu là Guennadi Borissov thuộc trường đại học Lancaster ở Anh, đã tìm kiếm một đặc điểm gọi là sự vi phạm điện tích-chẵn lẻ (CP), cái giúp giải thích sự khác biệt cơ bản giữa hành trạng của một hạt và phản hạt của nó. Nó giải thích tại sao vật chất còn sống sót trong vũ trụ sau Big Bang, khi mà vật chất và phản vật chất đã được tạo ra với số lượng như nhau và đúng ra đã phân hủy hoàn toàn.
Để thoáng thấy sự vi phạm CP, nhiều nhà thực nghiệm đã nhìn vào sự phân hủy của các meson tại những thí nghiệm meson xưởng-B lớn, thí dụ như BELLE ở Nhật Bản và BABAR ở Mĩ. Thật vậy, các kết quả cho đến nay phù hợp với những tiên đoán từ Mô hình Chuẩn của ngành vật lí hạt. Tuy nhiên, điều này không đủ để giải thích khuôn khổ trọn vẹn của sự bất đối xứng vật chất – phản vật chất trong vũ trụ và điều này đã duy trì một sự phân chia giữa lí thuyết và thực nghiệm trong ngành vật lí hạt.
Đi tìm sự bất đối xứng
Với nghiên cứu mới nhất này, Borissov và đội của ông cuối cùng đã bắt đầu nhìn thấy một sự bất đối xứng rõ ràng hơn bằng cách nhìn vào sự phân hủy của meson trong hòa, B_s và B_d. Các nhà nghiên cứu tại BELLE và BABAR đã ràng buộc sự vi phạm CP trước đây trong sự phân hủy các meson B_d nhưng chưa bao giờ từng thấy ở các meson B_s – phần lớn là vì họ đã không tiếp cận được những va chạm electron-positron có năng lượng đủ cao để tạo ra những hạt này. Giờ thì điều này đã có thể tại thí nghiệm D0.
Để xem sự vi phạm CP có mặt hay không, các nhà nghiên cứu nhìn vào các sản phẩm phân hủy meson. Một điều rắc rối là các meson trung hòa, như B_s và B_d, có xu hướng dao động giữa hạt và phản hạt của chúng, khiến khó nói meson nào đã phân hủy. Tuy nhiên, đội của Borissov có thể giải đoán rắc rối này bằng cách nhìn vào điện tích của các hạt phân hủy.
“Mỗi meson có thể phân hủy thành một muon, một neutrino và, nói thí dụ, một meson mùi duyên”, Borissov giải thích. Sự bất đối xứng giữa B và phản B khi đó được đo là một tổng điện tích ưu tiên đối với các cặp muon được đo, với sự bất đối xứng được đo cuối cùng lệch khỏi tiên đoán của Mô hình Chuẩn 3,2 độ lệch chuẩn.
Một thí nghiệm khéo léo
Tuy nhiên, Borissov nhấn mạnh rằng quá trình này không đơn giản như vậy, ông cảnh báo rằng nhiều muon còn có thể thu được từ các phân hủy kaon xảy ra trong thí nghiệm. Phông nền này là đáng gờm vì các kaon có sự ưu tiên nhân tạo hơn các phản kaon trong việc phân hủy trong máy dò D0, cho nên có thể phạm sai lầm khi trông thấy một sự bất đối xứng giả đối với các meson B. Sự bất đối xứng trong các mẫu phân hủy kaon đã được đo và loại bỏ.
Terry Wyatt ở trường đại học Manchester, cựu phát ngôn viên cho thí nghiệm D0, được truyền cảm hứng bởi tính mạnh mẽ của những thí nghiệm này. Ông cho biết chỉ có một cơ hội “một trong một nghìn” cho đây là một thăng giáng thống kê. Tuy nhiên, ông cam chắc rằng nghiên cứu thêm sẽ là cần thiết để xác nhận sự sai lệch đó là có thật hay không. “Chúng tôi hi vọng tăng bộ dữ liệu thu thập lên gấp đôi. Ngoài ra, chúng tôi có thể hi vọng những cải tiến trong các kĩ thuật phân tích có thể làm giảm sai số đi nữa”, ông nói.
Phức hợp máy gia tốc Fermilab gia tốc các proton và phản proton đến gần tốc độ ánh sáng. Máy va chạm Tevatron, chu vi đến 4 dặm, sản sinh hàng triệu va chạm proton-phản proton trong mỗi giây, làm tối đa hóa cơ hội khám phá. Hai thí nghiệm, CDF và D0, ghi lại các va chạm để tìm kiếm các dấu hiệu của những hạt mới và các quá trình hạ nguyên tử. (Ảnh: Fermilab)
Có lẽ cơ hội lớn nhất để phát triển những kết quả này sẽ đến tại LHCb ở CERN, một thí nghiệm nền vật lí B khác có thể ghi lại tới 2000 phân hủy meson như thế này trong mỗi giây. “Trong nhiều nghiên cứu, LHCb hi vọng sẽ vượt mặt độ nhạy của các thí nghiệm Tevatron ngay trong lần chạy 2010-11 này của LHC”, phát biểu của Guy Wilkinson, đồng giám đốc vật lí của LHCb.
Nhà nghiên cứu vật lí hạt Tim Gershon ở trường đại học Warwick thì tin rằng các xưởng B như tại Fermilab và CERN là những nơi rất triển vọng để tìm kiếm sự vi phạm CP. “Các kết quả từ CDF lẫn D0 trước đây đều gợi ý những hiệu ứng vật lí mới, gây ra sự hào hứng lớn trong cộng đồng”, ông nói. “Các phép đo từ các xưởng B đặt ra những giới hạn chặt chẽ đối với nhiều sai lệch khả dĩ khỏi Mô hình Chuẩn”.
Nghiên cứu này được mô tả chi tiết trên website của thí nghiệm D0.
Theo physicsworld.com
