Thấy sự thay đổi của hạt hạ nguyên tử sang phản hạt và ngược lại

Phép đo đạc chính xác một cách lạ thường do các nhà nghiên cứu Anh thực hiện ở thực nghiệm Máy gia tốc hạt lớn đẹp (Large Hadron Collider beauty LHCb) ở CERN. Nó đem lại bằng chứng đầu tiên về các hạt meson duyên có thể thay đổi thành phản hạt của mình và ngược lại.

Hiện tượng hỗn hợp

Trong hơn 10 năm, các nhà khoa học đã biết về các hạt meson duyên, những hạt hạ nguyên tử chứa một quark và một phản quark, có thể di chuyển như một hỗn hợp của các hạt và các trạng thái phản hạt của chúng.

Đó là một hiện tượng mà người ta vẫn gọi là hỗn hợp.

Tuy nhiên, lần đầu tiên, kết quả mới chứng tỏ, chúng có thể dao động giữa hai trạng thái đó.

Giải quyết những câu hỏi vật lý lớn

Với bằng chứng mới này, các nhà khoa học có thể giải quyết được một số câu hỏi lớn bậc nhất trong vật lý về cách các hạt hành xử bên ngoài Mô hình Chuẩn.

Một trong số đó là liệu các chuyển pha đó được tác động bởi những hạt chưa biết, chưa được lý thuyết giải thích hay không.

Nghiên cứu này được gửi đến tạp chíPhysical Review Letters và trong thời gian chờ bình duyệt đã được đăng trên arXiv ¹. Nó là kết quả của nghiên cứu do Hội đồng Các cơ sở KH&CN (STFC) tài trợ.

Trở thành hạt và hạt khác

Trong thế giới kỳ lạ của vật lý lượng tử, hạt meson duyên có thể cùng lúc vừa là chính nó và vừa là phản hạt của nó.

Trạng thái này, được biết đến với tên gọi chồng chập lượng tử, dẫn đến kết quả là hai hạt có khối lượng của chính mình – một khối lượng nặng hơn và một phiên bản nhẹ hơn của chính hạt đó.

Sự chồng chập này cho phép hạt meson duyên dao động thành phản hạt của mình và trở lại trạng thái cũ lần nữa.

Những khác biệt khối lượng

Sử dụng dữ liệu thu thập được trong thời kỳ vận hành thứ hai của Máy gia tốc hạt lớn (LHC), các nhà nghiên cứu từ trường đại học Oxford đã đo đạc được sự khác nhau trong khối lượng giữa hai hạt. Sự khác biệt là 0,00000000000000000000000000000000000001 gram – hoặc tương đương với 1×10^-38g.

Kết quả của một phép đo đạc chính xác và tất nhiên chỉ có thể khả thi khi người ta quan sát hiện tượng này rất nhiều lần. Điều này chỉ trở nên có thể với nhiều hạt meson duyên được tạo ra trên các va chạm ở LHC.

Vì phép đo đạc này ở mức độ vô cùng chính xác, nhóm nghiên cứu cũng cần đảm bảo là phương pháp phân tích thậm chí còn chính xác hơn thế nữa.

Một kỹ thuật mới

Để làm được điều này, nhóm nghiên cứu đã sử dụng một kỹ thuật mới được các đồng nghiệp tại trường đại học Warwick phát triển.

Chỉ có bốn dạng hạt trong Mô hình chuẩn được lý thuyết này giải thích là có thể chuyển chúng thành phản hạt của chính mình. Hiện tượng hỗn hợp này được quan sát lần đầu với các hạt meson lạ trong những năm 1960 và với các hạt meson đẹp những năm 1980. Cho đến tận bây giờ, người ta đã quan sát thêm một hạt khác trong số bốn hạt đó là có dao động theo cách này, đó là hạt meson lạ - đẹp, một phép đo đạc được thực hiện vào năm 2006.

Một hiện tượng hiếm gặp

Giáo sư Guy Wilkinson tại trường đại học Oxford, người đóng góp vào nghiên cứu này, cho rằng “Điều khiến phát hiện về dao động trong hạt meson duyên trở nên vô cùng ấn tượng là, không giống như các hạt meson đẹp, dao động này rất chậm và do đó vô cùng khó để đo đạc trong thời gian để hạt meson phân rã. Kết quả này chứng tỏ các dao động đó rất chậm khiến phần lớn các hạt sẽ phân rã trước khi chúng có cơ hội dao động. Tuy nhiên, chúng tôi có thể xác nhận đó là một khám phá bởi thực nghiệm LHCb đã thu thập được rất nhiều dữ liệu”.

Giáo sư Tim Gershon của trường đại học Warwick, người phát triển kỹ thuật phân tích dùng để thực hiện đo đạc này, nói: “Các hạt meson đẹp được tạo ra bằng các va chạm proton–proton và chúng di chuyển trung vình chỉ vài milimet trước khi chuyển đổi, hoặc phân rã, thành những hạt khác. Bằng việc so sánh các hạt meson duyên phân rã sau khi di chuyển một khoảng cách ngắn với hạt khác di chuyển trên đoạn đường còn ngắn hơn nữa, chúng tôi đã có thể đo đạc được đại lượng chính kiểm soát tốc độ của dao động hạt meson duyên thành meson phản duyên – sự khác biệt trong khối lượng giữa các phiên bản nặng hơn và nhẹ hơn này của meson duyên”.

Một cánh cửa mở ra cho những tìm kiếm mới

Khám phá về dao động meson duyên mở ra một pha mới và đầy thú vị của những tìm kiếm mới trong vật lý.

Các nhà nghiên cứu hiện tại muốn hiểu thêm về quá trình dao động, một bước tiến lớn có tiềm năng giải quyết bí ẩn về bất đối xứng vật chất – phản vật chất. Một điểm quan trọng để khám phá là liệu tốc độ chuyển pha hạt – phản hạt có tương tự như chuyển pha phản hạt – hạt hay không. Và đặc biệt là liệu các hạt chưa biết chưa được Mô hình Chuẩn dự đoán ảnh hưởng hay dẫn đến các chuyển pha này không.

Các phép đo đạc nhỏ nói lên những điều lớn lao

Tiến sĩ Mark Williams tại trường đại học Edinburgh, người tham gia vào Nhóm vật lý duyên LHCb để thực hiện nghiên cứu này, cho rằng “Những phép đo đạc nhỏ bé như vậy có thể nói với anh những điều vô cùng lớn lao về cũ trụ mà anh chưa từng chờ đợi”.

Kết quả 1×10-38g, vượt qua mức “năm sigma” của ý nghĩa thống kê, mức được đòi hỏi để các nhà nghiên cứu có thể đi đến tuyên bố về một khám phá mới trong vật lý hạt.

Hơn cả thông tin

LHCb là một trong bốn thực nghiệm lớn tại LHC ở CERN, Geneva, và được thiết kế để nghiên cứu về những phân rã của các hạt chứa đựng một quark đẹp. Mục tiêu ban đầu của LHCb là tìm hiểu về bất đối xứng vật chất – phản vật chất hoặc “vi phạm trái phải”.

Sau Big Bang, vật chất và phản chất chất được tạo ra với số lượng ngang bằng nhau nhưng khi gặp nhau, chúng triệt tiêu lẫn nhau. Vì chúng ta sống trong một vũ trụ có sự lấn át của vật chất, điều đó nghĩa là phải có một sự khác biệt tinh tế giữa vật chất và phản vật chất để cho phép vật chất tồn tại.

Các hạt mesons là một phần của một lớp hạt lớn tạo nên các hạt cơ bản mà chúng ta gọi là các hạt quark, và chứa một quark và một phản quark. Meson D0 bao gồm một quark duyên và một phản quark lên, và những phản hạt của chúng, còn meson phản D0 bao gồm một phản quark duyên và một quark lên.

Các nhà nghiên cứu đã thực hiện phép đo đạc này bằng thiết bị Vertex Locator (VELO) của LHCb.