Thí nghiệm cực kì chính xác xác nhận các photon thuộc họ hàng boson

alt

Dmitry Budker (trái) và Damon English. (Ảnh: Roy Kaltschmidt và Damon English)

Các nhà vật lí ở Mĩ vừa thực hiện một phép kiểm tra cực kì chính xác của một trong những nền tảng của vật lí học hiện đại – quan điểm cho rằng hai loại hạt sơ cấp, boson và fermion, tuân theo hai loại hành trạng thống kê rạch ròi nhau. Thí nghiệm gốc laser trên xác nhận các photon hành xử theo thống kê Bose–Einstein, khép lại các nghi ngờ rằng các photon thật ra là fermion với độ chính xác cao gấp 1000 lần so với những phép kiểm tra trước đây.

Vật lí học cho chúng ta biết rằng các hạt sơ cấp chia làm hai nhóm chính: boson, những hạt có giá trị xung lượng góc nội hay spin nguyên, và fermion, những hạt có spin bán nguyên. Các boson bao gồm các hạt mang lực như photon, W và Z và tuân theo thống kê Bose-Einstein. Một hệ quả quan trọng của điều này là nhiều boson giống hệt nhau tự do chiếm giữ cùng một trạng thái lượng tử, dẫn tới các hiện tượng như ngưng tụ Bose-Einstein và sự phát laser.

Fermion bao gồm các hạt vật chất cơ bản như các quark và electron và tuân theo hành trạng Fermi-Dirac. Các fermion giống hệt nhau không bao giờ có thể tồn tại trong cùng một trạng thái lượng tử, cho chúng ta cấu trúc lớp vỏ của các nguyên tử và, cùng với nó, ngành hóa học.

Không có lời giải thích đơn giản

Nguyên lí các hạt spin nguyên bị chi phối bởi thống kê Bose–Einstein, còn các hạt spin bán nguyên biểu hiện hành trạng Fermi–Dirac đã được chứng minh bằng cơ sở toán học của lí thuyết trường lượng tử. Nhưng một số nhà vật lí, kể cả Richard Feynman sau này, đã vấp phải thực tế là không có lời giải thích đơn giản nào cho mối liên hệ này và nó vẫn dựa trên nhiều giả thuyết, một số thì rõ ràng và một số thì tiềm ẩn. Thật vậy, người ta cho rằng những giả thuyết này có lẽ không có vai trò gì trong những lí thuyết tổng quát hơn, thí dụ như lí thuyết dây.

Dmitry Budker và Damon English thuộc trường Đại học California ở Berkeley quyết tâm sẽ kiểm tra nguyên lí này, gọi là định lí thống kê spin, với độ chính xác họ có thể thực hiện. Họ biết rằng cơ hội bác bỏ lí thuyết này là rất nhỏ, nhưng họ thấy dù sao việc thực hiện thí nghiệm cũng thật quan trọng. Như Budker trình bày, việc phát hiện ra sự vi phạm CP trong ngành vật lí hạt không có liên quan và “không có bất kì yêu cầu lí thuyết trực tiếp nào” nhưng hiện tại là một trong những thành phần chính trong việc giải thích tại sao vũ trụ có vẻ chứa rất nhiều vật chất so với vật chất tối. “Thí nghiệm của chúng tôi có tính rủi ro rất cao nhưng rất đáng giá”, ông nói, “trong đó chúng tôi cực kì không có khả năng bác bỏ lí thuyết trên nhưng nếu chúng tôi thực hiện được thí nghiệm thì nó sẽ là một khám phá mang tính cách mạng”.

Budker và English, cùng với Valeriy Yashchuk thuộc Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley đã nghiên cứu một loại hấp thụ hai photon đặc biệt bởi các nguyên tử barium trong đó xung lượng góc toàn phần của các nguyên tử dịch chuyển từ 0 lên 1. Cơ học lượng tử cho chúng ta biết rằng không thể xây dựng một hàm sóng hai hạt với một xung lượng góc toàn phần bằng 1 nếu hàm sóng đó là đối xứng (đối với sự trao đổi hạt) như trường hợp đối với các boson giống hệt nhau. Nói cách khác, nếu các photon là boson thì không thể nào thực hiện quá trình hấp thụ đặc biệt này đối với các cặp photon có cùng tần số.

Không có sự hấp thụ nào như vậy

Các nhà nghiên cứu đã chiếu hai chùm laser màu lục từ hai hướng ngược nhau vào một chùm nguyên tử barium đựng trong một hộp cộng hưởng quang, với năng lượng kết hợp của một cặp photon (gồm một photon từ mỗi chùm) bằng với năng lượng hấp thụ barium. Họ nhận thấy khi tần số của hai chùm chênh lệch rất ít thì sự hấp thụ này xảy ra, cái họ quan sát bằng cách đo các photon giải phóng bởi sự thôi kích thích sau đó của barium. Nhưng họ quan sát thấy không có sự hấp thụ nào như vậy khi các tần số đó là giống hệt nhau – chứng tỏ rằng các photon thật sự là boson.

Budker và David DeMille, hiện làm việc tại Đại học Yale, đã công bố các kết quả từ một thí nghiệm giống như vậy thực hiện hồi năm 1999, thí nghiệm còn chứng tỏ rằng các photon hành xử như các boson. Tuy nhiên, phép kiểm tra mới nhất trên chính xác hơn nhiều lần, nhờ các cải tiến trong cơ cấu thí nghiệm, và giảm sai số trong kết quả đi hơn ba bậc độ lớn – chứng tỏ kết quả trên tốt hơn bốn phần trong 10¹¹ ở mức độ tin cậy 90%. Theo Budker, độ chính xác trên có thể cải thiện 100-1000 lần bằng cách cải tiến tính ổn định của các laser và tăng thêm hiệu suất và giảm sự nhiễu của máy dò photon.

Những lợi ích thực tế

Budker bổ sung thêm rằng thí nghiệm trên còn có thể có những lợi ích thực tế. Ông cho biết nhóm của ông đã có thể đo một loại chuyển tiếp hai photon cực kì yếu và trước đây chưa hề quan sát thấy, cho phép bởi sự phân tách cấu trúc tinh tế, và sự chuyển tiếp này có tiềm năng sử dụng trong những loại đồng hồ nguyên tử mới.

Công trình được công bố trên tạp chí Phys. Rev. Lett.