Thật kỳ diệu khi hạt neutron mà ta biết đến từ lâu, hóa ra lại nắm giữ chìa khóa để giải đáp những thắc mắc về vật chất tối trong vũ trụ
Thời gian tồn tại chính xác của một neutron vẫn là vấn đề gây nhiều tranh cãi. Hiện các nhà khoa học đang đề xuất khảo cứu hiện tượng neutron tiêu biến thành những phân tử vật chất tối (dark matter) – vô hình, chiếm hơn 80% toàn bộ vật chất trong vũ trụ – để tìm kiếm câu trả lời cho bí ẩn này.
Cùng với proton và electron, các hạt neutron đã tạo nên phần lớn vũ trụ đang hiện hữu. Thiếu vắng neutron, hạt nhân nguyên tử phức hợp, đơn giản không thể trở nên bền vững. Trung bình cứ sau 15 phút, một neutron tự do bên ngoài hạt nhân nguyên tử sẽ phân rã thành một proton, một electron và một phản nơtrino. Và mặc dù được phát hiện ra từ hơn 80 năm trước, nhưng cho đến nay, “vòng đời” trung bình của neutron vẫn còn là một ẩn số.
Hiện có 2 phương pháp khác nhau để xác định vòng đời của neutron. Cách thứ nhất, các nhà khoa học sẽ đặt các neutron siêu lạnh vào trong bình và quan sát số hạt còn lại sau một khoảng thời gian nhất định. Cách thứ hai là phân tích những chùm neutron, xem bao nhiêu trong số đó sẽ phân rã thành proton trong một khoảng không gian và thời gian cho trước. Tuy nhiên điều kỳ lạ là thí nghiệm với “chùm neutron” lại cho ra kết quả gần 888 giây, nhiều hơn khoảng 9 giây so với thí nghiệm bằng “bình”. “Chúng tôi đã rất hoang mang khi nhận được kết quả rất sai lệch khi đo vòng đời trung bình của neutron bằng hai phương pháp khác nhau. Liệu đã có sai sót gì với những hiểu biết căn bẳn của chúng ta về các định luật vật lý”, GS Benjamin Grinstein – trưởng khoa vật lý tại Đại học California (San Diego), cho biết.
Sau hàng thập kỷ điều chỉnh cả 2 phương pháp tiếp cận thí nghiệm trên, các nhà vật lý “đã không thấy có bất cứ lý do nào để hoài nghi sự sai lệch phát sinh do phép đo dở”, Grinstein nói: “Chúng ta không còn lựa chọn thiết thực nào khác ngoài việc cần thay đổi các định luật vật lý một cách căn bản”. Tới nay, các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng neutron không chỉ phân rã thành proton, electron và nơtrino, mà còn sử dụng khoảng 1% thời lượng của quá trình tiêu biến để chuyển hóa thành những phân tử vật chất tối. Phát hiện này có lẽ sẽ giúp giải mã những bí ẩn lớn nhất trong khoa học. Và vì thí nghiệm với “chùm” chỉ chú trọng vào sự phân rã của neutron thành các proton, mà bỏ sót mất hiện tượng neutron chuyển hóa thành những phân tử vật chất tối, cho nên đã dẫn đến kết quả khá sai lệch so với thí nghiệm “bình”.
Nhà vật lý lý thuyết Bartosz Fornal của Đại học California San Diego chia sẻ: “Thật kỳ diệu khi hạt neutron mà ta biết đến từ lâu, hóa ra lại nắm giữ chìa khóa để giải đáp những thắc mắc về vật chất tối trong vũ trụ”. Fornal và Grinstein đã đề xuất một vài viễn cảnh liên quan đến hiện tượng “phân rã tối” khi các neutron không chỉ phân rã thành vật chất tối, mà còn cả những thành phần thông thường như tia gamma hoặc electron. “Những hạt như trên cũng kém liên kết đối với các vật chất thông thường, giống như vật chất tối vậy” - Grinstein nói. Kết quả này đã được công bố trên Physical Review Letters (online) vào hôm 9/5.
Công trình của Fornal và Grinstein đã truyền cảm hứng cho rất nhiều nghiên cứu khác. Chẳng hạn, nhà vật lý hạt nhân Christopher Morris cùng các đồng nghiệp tại phòng Thí nghiệm Quốc gia Los Alamos (bang Mexico) đang nỗ lực đi tìm sự xuất hiện của tia gamma trong bình chứa neutron siêu lạnh – điều bất khả do hạn chế của các thiết bị. Ngoài ra, hàng loạt thí nghiệm khác với cùng ý tưởng tương tự đang tập trung khảo sát sao neutron – thực chất là những cụm neutron siêu dày và đặc, được hình thành khi các ngôi sao khổng lồ lụi tàn.
Nhà vật lý hạt lý thuyết Jessie Shelton tới từ Đại học Illinois Urbana-Champaign cùng các đồng nghiệp cũng cho biết: các sao neutron không tạo thành hố đen vì trường hấp dẫn của chúng không đủ mạnh để tiêu hủy neutron. Tuy nhiên, nếu neutron tiêu biến thành vật chất tối thì hoàn toàn có thể gây ra sự lụi tàn của sao neutron nhờ vào chính trọng lực của nó. Điều này mang nghĩa, là các sao neutron – khối lượng bằng khoảng 70% Mặt Trời – có khả năng suy tàn thành lỗ đen vũ trụ. Tuy nhiên, Shelton còn lưu ý rằng nếu các neutron thực sự tiêu biến thành vật chất tối, thì chúng sẽ không chỉ sinh ra một loại hạt, mà ít nhất phải là hai, và tương tác giữa các hạt mới này có thể ngăn cản quá trình suy tàn để trở thành lỗ đen của các sao neutron lớn hơn. “Qua quan sát những sao neutron, chúng ta thấy rằng các neutron hoặc đã phân rã thành ít nhất 2 hạt vật chất tối, hoặc không hạt nào”, Shelton cho biết.
Dẫu vậy, Fornal và Grinstein cũng thừa nhận rằng sự bất thường trong vòng đời của neutron là không liên quan đến vật chất tối. Theo nhà vật lý William Marciano, cần thêm những thí nghiệm phân tích các đặc tính của neutron với độ chính xác cao, để xác nhận xem liệu “phân rã tối” của neutron có thực sự tồn tại.
Một phương án tiếp cận khả thi khác là thông qua khảo sát sự phân rã của neutron trong hạt nhân nguyên tử. Nhà vật lý hạt nhân Marek Pfutzner cho biết, một thí nghiệm dựa trên ý tưởng đó nhằm quan sát sự phát xạ proton dưới dạng phân rã beryllium-11, dự kiến sẽ được thực hiện tại Cơ sở Nghiên cứu phóng xạ hạt nhân ISOLDE tại Geneva (Thụy Sĩ).