Manh mối mới giải thích tại sao ít phản vật chất trong vũ trụ

Nhưng một hạt bụi có thể ảnh hưởng đến đường đi của một đám mây, một neutron có thể ảnh hưởng đến năng lượng của phân tử của nó bất chấp việc chỉ bằng phần triệu về kích thước. Và hiện tại thì các nhà vật lý trong và ngoài MIT đã đo đạc thành công một ảnh hưởng cực nhỏ của một neutron trong một phân tử phóng xạ.

Nhóm nghiên cứu này đã phát triển một kỹ thuật mới để tạo ra các phân tử phóng xạ có thời gian sống ngắn với số lượng các neutron mà họ có thể kiểm soát một cách chính xác rồi nghiên cứu chúng. Họ đã lựa chọn được một số đồng vị của cùng một phân tử, mỗi đồng vị có số neutron nhiều hơn so với đồng vị tiếp theo. Sau đó, họ đo đạc mức năng lượng của từng phân tử, và có thể dò những thay đổi nhỏ đến mức gần như không thể cảm nhận được của kích thước hạt nhân, tùy thuộc vào ảnh hưởng của một đơn neutron.

Thực tế là việc họ có thể thấy được rất nhiều hiệu ứng hạt nhân nhỏ như vậy cho thấy một vấn đề: hiện các nhà khoa học có thể có cơ hội tìm kiếm nhiều phân tử phóng xạ đem lại những hiệu ứng còn mờ nhạt hơn, ví dụ như vật chất tối gây ra hoặc hiệu ứng của những nguồn mới về các vi phạm đối xứng liên quan đến một vài bí ẩn hiện nay của vũ trụ.

“Nếu các định vật lý là đối xứng như chúng ta vẫn thường nghĩ, sau đó Big Bang phải tạo ra trong vũ trụ lượng vật chất và phản vật chất tương đương nhau. Thực tế là phần lớn những gì chúng ta thấy đều là vật chất, và chỉ có một phần tỉ phản vật chất, điều đó có nghĩa là một sự vi phạm các đối xứng cơ bản bậc nhất của vật lý theo một cách mà chúng ta không thể giải thích nổi nếu dựa trên tất cả những gì chúng ta biết”, Ronald Fernando Garcia Ruiz, một trợ lý giáo sư vật lý ở MIT, nói.

“Giờ chúng ta có một cơ hội để đo đạc các vi phạm đối xứng này bằng việc sử dụng các phân tử phóng xạ nặng, vốn vô cùng nhạy với hiện tượng hạt nhân mà chúng ta không thể thấy ở các phân tử khác trong tự nhiên”, ông nói. “Nó có thể đem lại những câu trả lời về một trong những bí ẩn chính của vũ trụ là vũ trụ này đã được tạo ra như thế nào”.

Ruiz và đồng nghiệp của ông đã xuất bản nghiên cứu của mình trên Physical Review Letters.

Một phi đối xứng đặc biệt

Phần lớn các nguyên tử trong tự nhiên đều chứa một hạt nhân hình cầu phi đối xứng ở trung tâm, các neutron và proton phân bố xung quanh. Nhưng trong các nguyên tố phóng xạ như radium, hạt nhân nguyên tử đều có hình dạng như quả lê khác thường với một phân bố không đồng đều các neutron và proton. Các nhà vật lý đặt giả thuyết là sự biến dạng này có thể làm tăng cường sự vi phạm đối xứng đã tạo ra nguồn gốc của vật chất trong vũ trụ.

“Hạt nhân phóng xạ có thể cho phép chúng ta dễ dàng thấy hiệu ứng vi phạm đối xứng đó”, tác giả thứ nhất của nghiên cứu là Silviu-Marian Udrescu, một học viên Khoa Vật lý MIT, nói. “Điều bất lợi khi áp dụng cách này là chúng không bền và thời gian sống ngắn, vì vậy chúng ta cần những phương pháp tinh tế hơn để tạo ra chúng và dò được chúng thật nhanh”.

Thay vì nỗ lực giữ cho hạt nhân phóng xạ tồn tại, nhóm nghiên cứu đã đặt chúng vào trong một phân tử để khuếch đại hơn độ nhạy với các va chạm đối xứng. Các phân tử phóng xạ gồm ít nhất một nguyên tử phóng xạ, liên kết với một hoặc nhiều nguyên tử khác. Mỗi nguyên tử được bao bọc bằng một đám mây các electron phát sinh ra một điện trường cực cao trong phân tử đó. Các nhà vật lý tin là chúng có thể khuếch đại được các hiệu ứng hạt nhân mờ nhạt như các hiệu ứng vi phạm đối xứng.

Tuy nhiên, bên cạnh các quá trình vật lý thiên văn xác thực như những ngôi sao neutron sáp nhập và các vụ nổ sao, các phân tử phóng xạ được quan tâm này không tồn tại trong tự nhiên và do đó phải được tạo ra một cách nhân tạo. Garcia Ruiz và cộng sự của mình đã tinh chỉnh các kỹ thuật để tạo ra được các phân tử phóng xạ trong phòng thí nghiệm và tìm hiểu một cách cẩn thận những đặc tính của nó. Năm ngoái, họ đã báo cáo một phương pháp tạo ra các phân tử radium monofluoride (RaF), một phân tử phóng xạ chứa một nguyên tử radium không bền và một nguyên tử fluoride.

Trong nghiên cứu mới của mình, họ đã sử dụng các kỹ thuật quen thuộc để tạo ra các đồng vị của RaF, hoặc các phiên bản của phân tử phóng xạ với các số neutron khác nhau. Khi họ làm điều này trong các thực nghiệm trước, họ sử dụng thiết bị phân tích khối phổ đồng vị On-Line, ISOLDE tại CERN ở Geneva, Thụy Sĩ, để tạo ra một lượng nhỏ đồng vị RaF.

Cơ sở nghiên cứu này có một chùm tia proton năng lượng thấp, được nhóm nghiên cứu chiếu thẳng vào một bia – một tấm uranium-carbide, nơi họ cũng đồng thời bắn vào một dòng khí carbon fluoride. Các phản ứng hóa học này đảm bảo góp phần tạo ra một số lượng lớn các phân tử, bao gồm cả RaF, sau đó được họ phân tách bằng một hệ laser, điện từ trường và các bẫy ion một cách chính xác.

Các nhà nghiên cứu đo đạc khối lượng mỗi phân tử để ước tính số lượng các neutron trong hạt nhân radium của một phân tử. Sau đó họ phân loại các phân tử bằng các đồng vị theo số lượng các neutron của chúng.

Cuối cùng, họ đã lựa chọn các nhánh của năm loại đồng vị khác nhau của RaF, mỗi loại mang số lượng neutron nhiều hơn loại kế bên. Với một hệ laser phân tách, họ đo đạc các mức lượng tử của từng phân tử một.

“Hãy tưởng tượng một phân tử dao động như hai quả bóng trên một lò xo, với một mức năng lượng nhất định”, Udrescu, học viên của Phòng thi nghiệm KH hạt nhân ở MIT, giải thích. “Nếu thay đổi số lượng neutron trong mỗi quả bóng, tổng mức năng lượng này có thể bị thay đổi. Nhưng một neutron thì nhỏ hơn một phân tử cả 10 triệu lần, và với độ chính xác hiện hành, chúng tôi không thể chờ đợi là một thay đổi có thể tạo ra một mức khác biệt về năng lượng, nhưng cũng có thể thực hiện được. Và chúng tôi đang có thể trông thấy một cách rõ ràng hiệu ứng này”.

Kết quả cho thấy các phân tử phóng xạ như RaF siêu nhạy với các hiệu ứng hạt nhân và độ nhạy của nó có thể tiết lộ nhiều hiệu ứng còn tinh tế hơn, chưa từng được thấy trước đây như các đặc tính hạt nhân vi phạm đối xứng, có thể giúp giải thích sự phi đối xứng vật chất – phản vật chất trong vũ trụ.

“Các phân tử phóng xạ nặng này hết sức đặc biệt và vô cùng nhạy với hiện tượng hạt nhân mà chúng ta không thấy với các phân tử khác trong tự nhiên”, Udrescu nói. “Nó cho thấy, khi chúng ta bắt đầu tìm kiếm các hiệu ứng vi phạm đối xứng, chúng ta có cơ hội lớn để nhìn thấy chúng trong các phân tử này”.