Giải thích về phản vật chất từ góc nhìn của vật lý hiện đại

Roger Jones là giáo sư vật lý kiêm Trưởng khoa tại Đại học Lancaster (Anh). Bài viết này là giải thích của ông về phản vật chất và được công bố lần đầu tiên trên Tạp chí The Conversation.

Chúng ta đã nghe nhiều về phản vật chất nhưng rốt cuộc, nó là cái gì và việc áp dụng nó trong thực tiễn khoa học như thế nào?

Phản vật chất là một trong những khám phá vật lý gây được sự chú ý nhất trong thế kỷ 20. Mặc dù thuật ngữ này đã được một số tiểu thuyết gia như Dan Brown nhắc đến nhưng khá nhiều người vẫn chưa thực sự hiểu được lý thuyết này. Trên thực tế, phản vật chất đang ngày càng phát triển và đóng vai trò quan trọng trong việc giúp các nhà khoa học nghiên cứu về cơ chế hoạt động của vũ trụ.

Phản vật chất là gì?

Phản vật chất bao gồm các phản hạt mà theo các nhà vật lý thì chúng chính là những "người bạn phản vật chất" giống hệt với các hạt mà chúng ta biết nhưng có điện tích trái dấu, chẳng hạn như "cặp đôi" cùng khối lượng electron (Điện tích âm) – positron (Điện tích dương). Khi các hạt này (hạt và phản hạt) tiếp xúc với nhau sẽ triệt tiêu lẫn nhau và sự biến mất của chúng sẽ tạo ra một vụ nổ ánh sáng.

Sự kết hợp của hạt và phản hạt có thể tạo ra các vụ nổ

Các hạt này được phỏng đoán lần đầu tiên bởi nhà vật lý người Anh Paul Dirac khi ông cố gắng kết hợp hai ý tưởng tuyệt vời về vật lý hiện đại thời kỳ sơ khai: Thuyết tương đối và cơ học lượng tử. Trước đây, đã từng có dự đoán về các hạt có thể có năng lượng thấp hơn so với khi chúng ở trạng thái "nghỉ" (nghĩa là không có phản ứng gì cả) nếu kết hợp thành công hai học thuyết này, tuy nhiên, các nhà khoa học thời đó vẫn chưa giải thích được do sự tồn tại của các nguồn năng lượng âm là điều không thể có.

Tuy nhiên, các phương trình lại khiến Dirac tin rằng các hạt thực sự có chứa một lượng lớn năng lượng âm và điều này các nhà khoa học trước vẫn chưa tìm ra do họ chỉ nghiên cứu "trên bề mặt" mà chưa đào sâu tìm kiếm. Để phá vỡ phong cách truyền thống, Dirac lập luận tất cả các mức năng lượng tồn tại "bình thường" được hình thành bởi các hạt "bình thường". Tuy nhiên, khi một hạt "nhảy lên" từ mức năng lượng thấp hơn để trở thành hạt "bình thường", nó để lại một "lỗ trống" (hole) mà đối với chúng ta, nó có vẻ như là một hạt tương phản quái dị. Đó chính là hạt phản vật chất.

Mặc dù hiện vẫn còn những hoài nghi nhưng các ví dụ về cặp hạt – phản hạt cũng đã được tìm thấy từ sớm. Chẳng hạn, chúng được tạo ra khi các tia vũ trụ (Comic rays) va vào bầu khí quyển của Trái Đất hay một bằng chứng khác là năng lượng trong các trận giông bão sản sinh ra phản hạt Positron. Phản hạt này cũng được hình thành từ một vài phân rã phóng xạ (Radioactive Decay) – quá trình được sử dụng trong các máy quét Positron Emission Tomography (PET) ở nhiều bệnh viện nhằm đưa ra các hình ảnh chính xác về cơ thể con người. Ngoài ra, các thía nghiệm được thực hiện với Máy gia tốc hạt Large Hadron Collider (LHC) cũng có thể tạo ra hạt và phản hạt.

Các nhà vật lý cho rằng phản vật chất được tạo ra trong các trận giông bão

Bí ẩn về vật chất và phản vật chất

Vật lý học đưa ra dự đoán về việc vật chất và phản vật chất phải được tạo với số lượng gần như nhau và điều này có thể áp dụng trong vụ nổ Big Bang, đồng thời các định luật vật lý cũng áp dụng được trên cả hạt và phản hạt nhằm đảm bảo quy luật đối xứng CP. Tuy nhiên, vũ trụ mà chúng ta biết có khả năng không tuân theo các quy tắc này bởi lẽ, nó gần như được cấu tạo từ vật chất. Do vậy, sự biến mất của các phản hạt vẫn còn bí ẩn.

Thực tế, vẫn chưa đủ bằng chứng để giải thích sự chênh lệch giữa số lượng vật chất và phản vật chất trong vũ trụ mặc dù đã có những bằng chứng (thí nghiệm) về một số quá trình phân rã phóng xạ không tạo ra một lượng bằng nhau các hạt và phản hạt. Do đó, rất nhiều nhà vật lý (trong đó có tôi) vẫn đang tiếp tục thực hiện các thí nghiệm tại LHC (Large Hadron Collider), ATLAS, CMS, LHCb và một số nhà nghiên cứu khác cũng tiến hành thí nghiệm trên Neutrino tại T2K ở Nhật Bản để giải thích cho "câu đố" hóc búa này.

Các nhà khoa học NASA sử dụng kính thiên văn để tìm kiếm bằng chứng về phản vật chất

Các nhóm nhà vật lý học khác như Alpha Collaboration tại CERN đã thực hiện một thử nghiệm trên các mức năng lượng thấp hơn để xem xét liệu rằng các thuộc tính của phản hạt có thực là phản chiếu của các hạt vật chất tương ứng hay không. Những kết quả mới nhất đã cho thấy rằng một nguyên tử anti-hydrogen (được tạo thành từ một anti-proton và một anti-electron hoặc positron) không mang điện tích (trung hòa điện) với độ chính xác ít hơn 1 phần tỷ điện ích của electron. Bằng cách kết hợp với các đo lường khác, kết quả này ám chỉ rằng positron tích điện trái dấu và có độ lớn điện tích ngang bằng với electron với sai số nhỏ hơn một phần tỷ.

Mặc dù kết quả trên đã xác nhận những gì được mong đợi về phản vật chất nhưng vẫn còn rất nhiều bí ẩn lớn chưa giải thích được, chẳng hạn như trọng lực liệu có tác động tới phản vật chất như cách mà nó ảnh hưởng tới vật chất hay không? Nếu quy luật đối xứng bị phá vỡ thì ngành vật lý sẽ cần đến những cải tổ cơ bản và điều này không chỉ ảnh hưởng tới vật lý hạt cơ bản (particle physics) mà còn đến cả sự hiểu biết về lực hấp dẫn cũng như thuyết tương đối.

Thực sự thì các thí nghiệm về phản vật chất đang giúp con người tiếp cận được với những điều thú vị hơn về hoạt động cơ bản của vũ trụ và ai dám chắc rằng chúng ta sẽ tìm thấy được những gì chứ?

Tác giả: Roger Jones