Lại một thắng lợi nữa cho Mô hình chuẩn (Standard Model) – lý thuyết mô tả và dự đoán về tương tác giữa các hạt cơ bản [đã biết], và đã thành công một cách đáng kinh ngạc.
Các nhà vật lý vừa thực hiện được một phép đo chính xác nhất về “tương tác yếu” (weak interaction) hay “lực yếu” (weak force) – một trong bốn tương tác cơ bản.
Kết quả của thí nghiệm đã được công bố trên Nature vào hôm 9/5, không khác so với dự đoán của Mô hình chuẩn và làm lu mờ những nỗ lực của giới vật lý nhằm tìm kiếm sự bất thường trong lý thuyết trên, và để phát triển những ngành [vật lý] mới giúp giải thích hiện tượng vật chất tối (dark matter) cùng năng lượng tối (dark energy).
Mặc dù cực kỳ thành công, song Mô hình chuẩn vẫn chưa thật sự trọn vẹn bởi không giúp lý giải được về vật chất tối và năng lượng tối – cùng nhau chiếm đến 95% trong vũ trụ và vẫn chưa thể quan sát được trực tiếp. Chưa kể, lý thuyết này đã không xét đến trọng lực và không giải thích được tại sao vũ trụ lại chứa nhiều vật chất (matter) hơn phản vật chất (anti-matter)
Kiểm chứng Mô hình chuẩn
Nhằm hướng tới một lý thuyết hoàn chỉnh hơn, các nhà vật lý đã đi kiểm chứng những phát biểu của Mô hình chuẩn về tương tác yếu – đóng vai trò trong phân rã hạt nhân giúp Mặt trời tỏa sáng hay để chạy các nhà máy điện [hạt nhân]. Cường độ của tương tác yếu lại phụ thuộc vào một loại hạt gọi là “điện yếu” (weak charge) – về bản chất là lực điện từ, do điện tích và lực hấp dẫn liên quan đến khối lượng của hạt quyết định.
Clip giải thích ngắn gọn về tương tác yếu. Nguồn: YouTube
Trong suốt nhiều năm, hơn 100 nhà khoa học tới từ 20 cơ sở nghiên cứu đã tham gia thí nghiệm “quark yếu” (Q-weak), để lần đầu tiên đo được điện yếu của proton.
“Chúng tôi đã hy vọng đây là con đường đưa tới khám phá về những khiếm khuyết của Mô hình chuẩn”, Greg Smith – nhà vật lý tại Cơ sở Gia tốc Hạt nhân Quốc gia Jefferson (bang Virginia) và là giám đốc Dự án Q-weak – cho biết.
Các nhà khoa học đã bắn những chùm tia electron vào một bể proton, với các electron có spin song song (parallel) và đối song song (anti-parallel) lẫn lộn. Sau khi va chạm với proton, electron có thể bị tán xạ, chủ yếu là do tương tác điện từ. Nhưng cứ với mỗi 10.000 hay thậm chí 100.000 phân tán thì mới xảy ra một tương tác yếu – Smith cho biết.
Khác với tương tác điện từ, tương tác yếu không tuân theo quy tắc đối xứng gương hay tính chẵn lẻ như các nhà vật lý vẫn hay gọi. Trong tương tác điện từ, các electron sẽ bị tán xạ theo luật trên bất chấp hướng spin; nhưng trong tương tác yếu, xác suất electron bị tán xạ sẽ phụ thuộc một phần rất nhỏ vào spin của nó (là song song hay đối song song) – ám chỉ hướng electron đang di chuyển.
Trong thí nghiệm trên, các nhà khoa học đã điều chỉnh chùm tia bằng cách bắn luân phiên những electron có spin song song và đối song song, khoảng 1000 lần một giây. Kết quả đo cho thấy sai khác trong xác suất electron bị tán xạ chỉ là 226.5 hạt trên 1 tỷ, với độ chính xác lên đến 9.3 hạt trên 1 tỷ. Điều này cũng giống với việc tìm ra hai đỉnh núi [cao như Everest] mà sai khác về chiều cao giữa chúng chỉ tương đương độ dày của một đồng xu (tiền Mỹ), và độ chính xác bằng chiều dày của một sợi tóc.
“Đây chính là sự bất đối xứng nhỏ và chính xác nhất liên quan đến hiện tượng tán xạ của các electron bị phân cực từ proton”, nhà vật lý Peter Blunden tại Đại học Manitoba (Canada) – người không tham gia nghiên cứu trên – cho biết. Ông tin rằng phép đo quả là một thành tựu ấn tượng, cho thấy trong nỗ lực theo đuổi ngành mới của chúng ta thì những thí nghiệm năng lượng thấp, có thể còn cạnh tranh được với cả các siêu máy gia tốc như Large Hadron Collider ở Geneva (Thụy Sĩ)
Thậm chí, ngay cả khi điện yếu của proton là đúng y như dự báo của Mô hình chuẩn, vẫn chưa hết hy vọng trong việc tìm ra những ngành vật lý mới trong tương lai, chỉ là chúng sẽ bị giới hạn bởi kết quả trên. Chẳng hạn, hiện tượng liên quan đến tương tác electron – proton ở mức năng lượng dưới 3.4 TeV sẽ bị loại trừ.
Dẫu vậy, những phát hiện mới, nếu có, sẽ trở nên kém hấp dẫn đi – Smith cho biết. Ông nói: “Tôi đã rất thất vọng vì mong muốn xuất hiện những sai số, tức dấu hiệu có thể cho biết điều gì đó. Tuy nhiên, một số người khác cũng có thể thở phào nhẹ nhõm khi chúng tôi đã không đi quá xa so với dự đoán của Mô hình chuẩn.”