Một thí nghiệm mang tính bước ngoặt tại CERN có thể giúp giải thích tại sao phản vật chất dường như đã biến mất trong vũ trụ sơ khai. Nếu bạn thả phản vật chất, nó sẽ rơi xuống hay bay lên? Trong một thí nghiệm độc đáo trong phòng thí nghiệm, các nhà nghiên cứu hiện đã quan sát thấy quỹ đạo đi xuống của một nguyên tử phản hydro duy nhất, đưa ra câu trả lời rõ ràng: phản vật chất đang rơi xuống.

Hình ảnh này cho thấy các nguyên tử phản hydro rơi xuống và tự hủy trong một bẫy từ là một phần của thí nghiệm ALPHA-g của CERN, được thiết kế để đo tác động của trọng lực lên phản vật chất. Nguồn hình ảnh: Quỹ khoa học quốc gia

Trong khi xác nhận lực hấp dẫn của phản vật chất và vật chất thông thường, khám phá này cũng loại trừ lực đẩy hấp dẫn là lý do cơ bản cho sự vắng mặt của phản vật chất trong vũ trụ quan sát được.

Các nhà nghiên cứu thuộc Cơ quan Vật lý Laser Phản Hydro Quốc tế (ALPHA) tại CERN ở Thụy Sĩ đã công bố phát hiện của họ ngày hôm nay trên tạp chí Nature.

Vyacheslav "Slava" Lukin, giám đốc chương trình tại Ban Vật lý của Quỹ Khoa học Quốc gia, cho biết: "Thành công của sự hợp tác ALPHA chứng tỏ tầm quan trọng của tinh thần đồng đội giữa các châu lục và cộng đồng khoa học". "Hiểu được các đặc tính của phản vật chất không chỉ giúp chúng ta hiểu vũ trụ được hình thành như thế nào mà còn tạo ra những đổi mới chưa từng có - chẳng hạn như chụp cắt lớp phát xạ positron (PET), giúp cứu sống nhiều người bằng cách áp dụng kiến thức của chúng ta về phản vật chất để phát hiện khối u ung thư trong cơ thể." tại CERN sử dụng các nguyên tử phản hydro để hiểu sự đối xứng cơ bản giữa vật chất và phản vật chất. Các nhà nghiên cứu vừa công bố những kết quả đột phá từ một thí nghiệm nhằm tìm hiểu tác động của trọng lực lên phản vật chất. Nguồn hình ảnh: Quỹ khoa học quốc gia

Vật chất song sinh có thể thay đổi khó nắm bắtTA GPH71

Ngoại trừ các động cơ dọc chạy bằng nhiên liệu phản vật chất và ngư lôi photon được tưởng tượng trong Star Trek, phản vật chất hoàn toàn có thật nhưng khan hiếm một cách bí ẩn.

Jonathan Wurtele, nhà vật lý plasma tại Đại học California, Berkeley và là thành viên của nhóm hợp tác ALPHA, cho biết: "Lý thuyết tương đối tổng quát của Einstein phát biểu rằng phản vật chất sẽ hành xử giống hệt như vật chất." Nhiều phép đo gián tiếp cho thấy lực hấp dẫn tương tác với phản vật chất như mong đợi. “Nhưng cho đến khi có kết quả ngày hôm nay, chưa có ai thực sự quan sát trực tiếp để loại trừ khả năng phản hydro đang chuyển động lên trong trường hấp dẫn thay vì hướng xuống.”

Cơ thể của chúng ta, Trái đất và hầu hết mọi thứ khác trong vũ trụ mà các nhà khoa học biết đến phần lớn được tạo thành từ vật chất thông thường được tạo thành từ proton, neutron và electron, giống như các nguyên tử oxy, cacbon, sắt và các nguyên tố khác trong bảng tuần hoàn.

Phản vật chất, mặt khác, là anh em sinh đôi của vật chất thông thường, mặc dù có một số tính chất trái ngược nhau. Ví dụ, phản proton có điện tích âm, trong khi proton có điện tích dương. Các phản electron (còn gọi là positron) mang điện tích dương, trong khi các electron mang điện tích âm.

Kevin M. Jones là người quản lý dự án tại Khoa Vật lý của Quỹ Khoa học Quốc gia và là Giáo sư Danh dự Vật lý William Edward McElfresh tại Đại học Williams. Ông giới thiệu ngắn gọn phản vật chất là gì và giá trị tổng thể của việc nghiên cứu phản vật chất. Nguồn: Quỹ Khoa học Quốc gia

Tuy nhiên, có lẽ thách thức lớn nhất đối với các nhà thí nghiệm là “phản vật chất phát nổ ngay khi nó tiếp xúc với vật chất”, Joel Fajans, nhà vật lý plasma tại Đại học California, Berkeley, và là thành viên của nhóm hợp tác ALPHA, cho biết.

Khối lượng tổng hợp của vật chất và phản vật chất được chuyển hóa hoàn toàn thành năng lượng trong một phản ứng mãnh liệt đến mức các nhà khoa học gọi đó là sự hủy diệt.

Đối với một khối lượng nhất định, sự hủy diệt này là hình thức giải phóng năng lượng mạnh mẽ nhất mà chúng ta biết đến. Tuy nhiên, lượng phản vật chất được sử dụng trong thí nghiệm ALPHA nhỏ đến mức chỉ những máy dò nhạy cảm mới có thể cảm nhận được năng lượng được tạo ra bởi sự hủy diệt phản vật chất/vật chất. Vì vậy chúng ta phải điều khiển phản vật chất thật cẩn thận nếu không chúng ta sẽ đánh mất nó.

Sơ đồ khái niệm về nguyên tử phản hydro trong bẫy từ của thiết bị ALPHA-g. Khi cường độ từ trường ở phía trên và phía dưới bẫy yếu đi, các nguyên tử phản hydro thoát ra, tiếp xúc với thành bẫy và hủy diệt. Hầu hết sự hủy diệt xảy ra bên dưới buồng, cho thấy trọng lực đang kéo các nguyên tử phản hydro đi xuống. Các đường sức từ quay trong hình ảnh động thể hiện tác động vô hình của từ trường lên các nguyên tử phản hydro. Trong các thí nghiệm thực tế, từ trường không quay. Nguồn: Keyi "Onyx" Li/Quỹ Khoa học Quốc gia

Thả 'bom phản vật chất'

Votel nói: "Nói chung, chúng tôi đang thực hiện phản vật chất, chúng tôi đang thực hiện một loại thí nghiệm Tháp nghiêng Pisa." Ông đang đề cập đến một tổ tiên trí tuệ đơn giản hơn trong các thí nghiệm của họ - thí nghiệm thế kỷ 16 của Galileo (có lẽ theo cách nói ẩn dụ) đã chứng minh rằng hai vật thể có cùng thể tích nhưng khối lượng khác nhau rơi cùng lúc có cùng gia tốc trọng trường. “Chúng tôi cho phản vật chất chuyển động và xem liệu nó tăng lên hay giảm xuống.”

Trong thí nghiệm ALPHA, khí phản hydro được chứa trong buồng chân không hình trụ cao có bẫy từ tính thay đổi được gọi là ALPHA-g. Các nhà khoa học đã giảm cường độ của từ trường ở phía trên và phía dưới bẫy cho đến khi các nguyên tử phản hydro có thể thoát ra và các hiệu ứng hấp dẫn tương đối yếu trở nên rõ ràng.

Khi mỗi nguyên tử phản hydro thoát ra khỏi bẫy từ, nó chạm vào thành khoang bên trên hoặc bên dưới bẫy và bị hủy diệt, cho phép các nhà khoa học phát hiện và đếm nó.

Các nhà nghiên cứu đã lặp lại thí nghiệm hơn chục lần, thay đổi cường độ từ trường ở phía trên và phía dưới bẫy từ để loại bỏ các lỗi có thể xảy ra. Họ quan sát thấy rằng khi từ trường yếu được cân bằng chính xác ở phía trên và phía dưới, khoảng 80% nguyên tử phản hydro bị hủy bên dưới bẫy – một kết quả phù hợp với cách các đám mây hydro thông thường hoạt động trong cùng điều kiện.

Do đó, trọng lực làm cho các nguyên tử phản hydro rơi xuống.

Bí ẩn vật chất/phản vật chất

Mặc dù không có nhiều nguồn phản vật chất—như positron phát ra khi kali phân rã và thậm chí cả phản vật chất trong chuối—các nhà khoa học không thấy nhiều phản vật chất trong vũ trụ. Tuy nhiên, các định luật vật lý dự đoán rằng phản vật chất sẽ tồn tại với lượng gần bằng lượng vật chất thông thường. Các nhà khoa học gọi câu hỏi hóc búa này là vấn đề tái sinh.

Một lời giải thích khả dĩ là phản vật chất bị vật chất thông thường đẩy lùi lực hấp dẫn trong Vụ nổ lớn, nhưng những phát hiện mới cho thấy lý thuyết này dường như không còn đáng tin nữa.

Votel cho biết: "Chúng tôi đã loại trừ khả năng phản vật chất bị lực hấp dẫn đẩy thay vì bị hút. Điều này không có nghĩa là không có sự khác biệt về lực hấp dẫn mà phản vật chất trải qua. Chỉ những phép đo chính xác hơn mới chứng minh được điều này."

ALPHA Các nhà nghiên cứu hợp tác sẽ tiếp tục khám phá bản chất của phản hydro. Ngoài việc cải thiện các phép đo về hiệu ứng hấp dẫn, họ còn sử dụng quang phổ để nghiên cứu cách phản hydro tương tác với bức xạ điện từ.

Sẽ mang tính cách mạng nếu phản hydro khác với hydro theo một cách nào đó, bởi vì các định luật vật lý của cơ học lượng tử và lực hấp dẫn đều nói rằng phản hydro phải hành xử giống nhau. Tuy nhiên, bạn sẽ chỉ biết nếu bạn làm thí nghiệm.