Bán kính của proton nhỏ hơn nhiều so với trước đây người ta nghĩ – đó là kết luận của các nhà vật lí đã tiến hành đo nó với độ chính xác tốt nhất từ trước đến nay. Kết quả bất ngờ trên thu được từ các nghiên cứu hydrogen muon tính và có thể là các nhà vật lí cần phải suy nghĩ lại cách thức họ áp dụng lí thuyết điện động lực học lượng tử (QED) – hay thậm chí bản thân lí thuyết đó cần có một sự đại tu lớn.
Đo dịch chuyển Lamb ở hydrogen muon tính tại Viện Paul Sherrer. Kênh trích xuất muon (giữa) tải chùm muon từ bẫy cyclotron (ở phía sau khối bê tông) đến mục tiêu (phía trước bên phải). (Ảnh: Aldo Antognini)
Một proton gồm hai quark tích điện liên kết với nhau bằng lực mạnh và bán kính của nó được xác định là khoảng cách mà tại đó mật độ điện tích giảm dưới một giá trị nhất định. Bán kính đó được đo bằng hai cách – bằng cách cho tán xạ các electron từ hydrogen và bằng cách nhìn rất gần vài sự chênh lệch giữa những mức năng lượng nhất định của nguyên tử hydrogen gọi là dịch chuyển Lamb. Cho đến gần đây, ước tính tốt nhất của bán kính proton là 0,877 femto mét với sai số 0,007 fm.
Sự dịch chuyển Lamb này là một hệ quả của các tương tác giữa electron và các quark thành phần của proton được mô tả bằng QED. Những tương tác này hơi khác một chút đối với các electron chiếm giữ các mức năng lượng 2s và 2p và sự dịch chuyển năng lượng thu được phụ thuộc một phần vào bán kính của proton.
Nặng hơn tốt hơn
Sự dịch chuyển Lamb còn xảy ra ở hydrogen muon tính, trong đó electron được thay thế bằng một muon. Tuy nhiên, sự dịch chuyển đó phụ thuộc nhiều hơn vào bán kính của proton vì muon nặng hơn electron và do đó nó mất nhiều thời gian hơn để đến rất gần – và thường vào bên trong – proton.
Nay một đội khoa học quốc tế đứng đầu là Randolf Pohl tại Viện Quang học Lượng tử Max Planck ở Garching, Đức, đã lần đầu tiên đo được sự dịch chuyển Lamb ở hydrogen muon tính và nhận thấy bán kính proton là 0,8418 fm với sai số 0,007 fm. Trong khi đây là phép đo chính xác nhất tính từ trước đến nay, nhưng nó lại hết sức mâu thuẫn với những phép đo trước đây.
Đội nghiên cứu đã sử dụng một máy gia tốc proton tại Viện Paul Scherrer ở Thụy Sĩ để tạo ra một chùm muon, chùm đó sau đó được chiếu vào chất khí hydrogen. Mỗi khi một muon va chạm với một phân tử hydrogen – xảy ra khá thường xuyên, làm nó vỡ ra và thế chỗ electron để tạo ra hydrogen muon tính. Khoảng 1% thời gian muon ở trạng thái 2s, nơi nó có thể bị kích thích lên trạng thái 2p bằng cách hấp thụ một photon từ một xung laser. Trạng thái 2p sau đó phân hủy với sự phát xạ ra một tia X.
Các phép tính phức tạp
Bằng cách đếm số tia X như vậy trong khi quét tần của xung laser, đội khoa học có thể thực hiện một phép đo rất chính xác của năng lượng photon cần thiết để chi phối sự chuyển tiếp 2s-2p. Sau đó, con số này được đưa vào một phép tính QED phức tạp để thu về bán kính của proton.
Pohl cho biết đội của ông đã và đang làm việc với phép đo ấy trong 12 năm qua và đã thu về những gợi ý đầu tiên của kết quả dị thường đó cách đây khoảng 6 năm trước. Kể từ đó, các nhà nghiên cứu đã xem xét, lặp lại và cải tiến các phép đo của họ nên họ đảm bảo rằng các kết quả là chính xác.
Theo Jeff Flowers thuộc Phòng thí nghiệm Vật lí quốc gia Anh quốc, có ba lời giải thích có thể có cho sự không nhất quán trên. Có khả năng nhất là QED đúng, nhưng nó không áp dụng được trong cái ông gọi là ‘một phép tính rất khó’. Khả năng thứ hai là có một trục trặc với thí nghiệm trên – nhưng Flowers, người không có liên quan trong phép đo trên, tin rằng đội của Pohl đã làm được một công việc tuyệt vời. Khả năng kém nhất – nhưng hào hứng nhất – theo Flowers là có cái gì đó không đúng với QED.
Trong khi QED xây dựng trên nền tảng toán học yếu, thì nó cực kì thành công trong việc dự đoán kết quả của các thí nghiệm. “Việc thay đổi QED sẽ là một thức thức lớn mang tính triết lí đối với các nhà vật lí”, ông nói.
Kết quả trên đã gây ra một làn gió hoạt động thực nghiệm và lí thuyết, với một số nhà vật lí đã thận trọng làm lại các phép tính dịch chuyển Lamb và những người khác thì thử cải tiến các phép đo trên cơ sở electron của bán kính proton.
Trong khi đó, đội của Pohl sẽ lặp lại thí nghiệm của mình và tiến hành một loạt phép đo mới trên helium muon tính để đo bán kính của hạt nhân helium.
Nghiên cứu trên công bố trên tạp chí Nature.
- Trung Thiên (theo physicsworld.com)
