Nếu ngài Isaac Newton đang quan sát một quả táo làm từ phản vật chất rơi từ trên cây xuống thì nó sẽ bay lên hay rơi xuống?
Lần đầu tiên, một nhóm các nhà khoa học quốc tế có thể trả lời câu hỏi đó, sau khi họ trực tiếp kiểm tra xem phản vật chất hoạt động như thế nào dưới tác dụng của trọng lực, một câu hỏi từng là chủ đề tranh cãi bất tận của cộng đồng khoa học.
Những gì họ tìm thấy là phản vật chất bị ảnh hưởng bởi lực hấp dẫn giống như vật chất.
Scott Menary, giáo sư danh dự tại Đại học York, cho biết trong một thông cáo báo chí: “Hóa ra, một quả táo phản vật chất cũng sẽ rơi xuống.”
Menary cho biết xác nhận này, được mô tả trong một bài viết xuất bản hôm thứ Tư trên tạp chí Nature, chỉ đưa ra thêm những câu hỏi.
“Chẳng hạn như phản vật chất có rơi theo cách giống hệt như vật chất hay có những khác biệt tinh tế trong cách nó hoạt động mà chúng ta chưa khám phá ra.”
Đây là kết quả quan trọng đầu tiên thu được từ việc sử dụng thiết bị ALPHA-g mới, một thiết bị bẫy hạt chuyên dụng được tài trợ thông qua Quỹ Đổi mới Canada. Nó được đặt tại phòng thí nghiệm vật lý hạt lớn nhất thế giới ở biên giới Pháp-Thụy Sĩ gần Geneva, Thụy Sĩ, do tổ chức liên chính phủ CERN điều hành.
“Kết quả là một thành công về mặt kỹ thuật do khó khăn trong việc đo tác dụng của trọng lực – một lực yếu hơn nhiều so với những gì hầu hết mọi người nhận ra – lên chỉ một tập hợp nhỏ các nguyên tử phản hydro,” Menary nói.
Cuối cùng, việc tìm hiểu cách phản vật chất hoạt động trong lực hấp dẫn là một bước tiến tới việc tìm hiểu một trong những bí ẩn lớn nhất trong thế giới vật lý, các nhà nghiên cứu cho biết: thế giới gương chính là phản vật chất.
Thế giới chúng ta đang sống được cấu tạo hoàn toàn từ vật chất – phân tử, nguyên tử, electron và các hạt hạ nguyên tử khác. Nhưng theo vật lý học, khi vật chất được tạo ra thì một thứ gọi là phản vật chất cũng được tạo ra.
Phản vật chất bao gồm các hạt có điện tích trái dấu với các hạt tương ứng tạo nên vật chất. Tất cả các hạt hạ nguyên tử đều có phản sinh đôi (phản quark, phản neutron, v.v.) và nếu các hạt thông thường tiếp xúc với phản sinh đôi của chúng, chúng sẽ hủy nhau, tạo ra năng lượng trong quá trình này.
Các nhà khoa học đã nghiên cứu những hạt này trong nhiều thập kỷ. Hạt phản vật chất đầu tiên được quan sát thấy, positron hay phản electron, được phát hiện vào năm 1933 sau khi được đưa ra giả thuyết vào năm 1931. Tại CERN, người ta có thể tổng hợp và cô lập các phản proton bằng cách cho proton va chạm với hạt nhân và tách các phản proton thu được ra ngoài bằng từ trường.
Một trong những câu hỏi mà các nhà khoa học đang phải vật lộn là nếu vũ trụ của chúng ta bao gồm vật chất bắt đầu từ Vụ nổ lớn khoảng 13,8 tỷ năm trước, thì về mặt lý thuyết, một lượng phản vật chất tương đương đã được tạo ra – nhưng nó đã đi đâu?
Robert Thompson, giáo sư vật lý tại Đại học Calgary và là nhà nghiên cứu chính của Dự án Đổi mới Quỹ ALPHA-g Canada, cho biết: “Hiện tại, chúng tôi không có lời giải thích nào về việc tất cả phản vật chất trong vũ trụ nằm ở đâu.”
“Để tìm ra lời giải cho câu hỏi hóc búa này, điều chúng tôi làm là kiểm tra các yếu tố vật lý của phản vật chất để xem liệu chúng tôi có thể tìm ra điểm mâu thuẫn hay không. Trong trường hợp này, chúng tôi đã kiểm tra xem liệu các đặc tính hấp dẫn của phản hydro có giống với đặc tính hấp dẫn của hydro hay không, điều này rất quan trọng vì nó chưa từng được thực hiện trước đây.”
CÁCH THỬ NGHIỆM HOẠT ĐỘNG
Nếu các nhà khoa học đã thu giữ và tổng hợp các hạt phản vật chất trong nhiều thập kỷ, tại sao tác động của trọng lực lên chúng chưa được thử nghiệm trong một thí nghiệm trước đây?
Bởi vì lực hấp dẫn không đủ mạnh để tác dụng một lực có thể quan sát được lên các hạt tích điện. Mặc dù lực hấp dẫn tác dụng lên mọi thứ trong vũ trụ, nhưng lực tĩnh điện giữa hai electron tích điện làm cho tác động của trọng lực là không đáng kể và không phải là thứ mà chúng ta thực sự có thể đo được. Điều này cũng đúng với positron. Theo các nhà khoa học, bạn cần một nguyên tử trung tính được tạo ra bởi các hạt tích điện cân bằng lẫn nhau để bắt đầu có thể thấy lực hấp dẫn có tác dụng.
Đây chính là lúc thí nghiệm Thiết bị Vật lý Laser Phản Hydro (ALPHA) ra đời.
ALPHA hoạt động bằng cách các nhà khoa học lấy positron và phản proton rồi bắn chúng vào một thiết bị thẳng đứng gọi là ALPHA-g, nơi các hạt có cơ hội kết hợp và tạo thành các nguyên tử phản hydro. Hầu hết các hạt này sẽ thoát ra và bị hủy diệt do va chạm với vật chất – nhưng một “bẫy nguyên tử” ở trung tâm ALPHA-g có thể bắt giữ một vài nguyên tử phản hydrogen và giữ chúng tránh xa vật chất bằng từ trường.
Đối với mỗi điểm mà các nhà khoa học đo được trong thí nghiệm cụ thể này, họ cho máy chạy 50 lần để tích lũy đủ nguyên tử phản hydro.
Khi chúng đã có đủ hạt, đã đến lúc thả chúng ra khỏi bẫy và quan sát lực hấp dẫn chiếm ưu thế.
ALPHA-g mở bẫy nguyên tử bằng cách giải phóng các rào cản ở phía trên và phía dưới. Khi các nguyên tử hydro bình thường chạy qua ALPHA-g, khoảng 80% thoát khỏi bẫy ở phía dưới do lực hấp dẫn.
Điều mà các nhà nghiên cứu tìm thấy trong thí nghiệm này là các hạt phản hydro cũng làm điều tương tự.
Có vẻ như lẽ thường tình là lực hấp dẫn sẽ tác dụng tương tự lên phản vật chất, vì điều này phù hợp với thuyết tương đối rộng của Einstein, nền tảng của vật lý, nhưng mặc dù đây là lý thuyết hàng đầu nhưng nó không phải là một sự đảm bảo. Nhiều nghiên cứu đã đưa ra giả thuyết về vũ trụ sẽ trông như thế nào nếu phản vật chất có phản ứng với lực hấp dẫn rất khác so với vật chất, bao gồm cả các kịch bản trong đó phản vật chất đóng vai trò là khối lượng hấp dẫn âm.
Theo các nhà nghiên cứu, việc biết rằng phản vật chất thực sự phản ứng tương tự với lực hấp dẫn là bước đầu tiên để đào sâu vào các cơ chế chính xác liên quan – và ý nghĩa của chúng trong việc làm sáng tỏ tình trạng thiếu phản vật chất một cách kỳ lạ trong vũ trụ của chúng ta so với lượng mà các định luật vật lý dự đoán.
“Chúng tôi biết có vấn đề ở đâu đó trong cơ học lượng tử và lực hấp dẫn,” Timothy Friesen, trợ lý giáo sư tại Đại học Calgary và là người đóng góp chính cho tờ Nature, cho biết trong một thông cáo báo chí khác.
“Chúng tôi chỉ không biết nó là gì. Đã có rất nhiều suy đoán về điều gì sẽ xảy ra nếu bạn thả phản vật chất, mặc dù trước đây nó chưa bao giờ được thử nghiệm vì nó rất khó sản xuất và lực hấp dẫn rất yếu.”
ALPHA-g được các nhà khoa học Canada chế tạo trong cơ sở của TRIUMF, trung tâm máy gia tốc hạt của Canada, trước khi được chuyển đến CERN để lắp đặt.
Việc tiến hành thí nghiệm và đo sự rơi tự do của các phản nguyên tử có sự tham gia của các nhà nghiên cứu từ nhiều viện nghiên cứu của Canada cũng như các nhà nghiên cứu và viện nghiên cứu từ Châu Âu, Anh, Mỹ, Israel và Brazil.
Makoto C. Fujiwara, nhà khoa học cấp cao tại TRIUMF và người phát ngôn của ALPHA-Canada, cho biết trong thông cáo: “Cột mốc quan trọng này là đỉnh cao của gần 20 năm cống hiến và làm việc theo nhóm. Sự đóng góp của các thành viên ALPHA-Canada rất quan trọng đối với thành công của chúng tôi. ALPHA-Canada là sự hợp tác xuyên Canada bao gồm một nhóm sinh viên, tiến sĩ, học giả và nhân viên, mỗi người đều đóng một vai trò quan trọng trong dự án này."
© 2023 CTVNews.ca
Bản tiếng Việt của The Canada Life
