Phát hiện một phần tử cực nhỏ sau hơn một thời gian dài tìm kiếm.

Sau nhiều thập kỷ nỗ lực hết sức của các nhà vật lý cả lý thuyết và thực nghiệm trên khắp thế giới, giờ đây một hạt cực nhỏ không tích điện với khối lượng cực nhẹ và tồn tại với thời gian ngắn hơn rất nhiều 1 nano giây (một phần tỷ giây), được đặt tên là “axion” vừa được tìm ra bởi một nhà vật lý học trường đại học Buffalo, tiến sĩ Piyare Jain, người đầu tiên đã chứng minh sự tồn tại của hạt này trong một bài báo ít được đọc đến vào năm 1974.

Khám phá này nổi trội hơn rất nhiều so với quá trình nghiên cứu gần 3 thập kỷ trước đó của cả tiến sĩ Jain, giáo sư danh dự trường đại học Buffalo khoa vật lý, người đứng đầu công trình nghiên cứu và cả nhiều nhóm lớn nhà vật lý khác, những nhà vật lý mà trong suốt 3 thập kỷ đã không thành công trong việc tìm ra các hạt axion trong phòng thí nghiệm bằng cách sử dụng các máy gia tốc phần tử năng lượng cao

Nghiên cứu máy thí nghiệm axion (Ảnh: llnl.gov)

Bài viết về phát hiện mới này hiện có thể đọc trực tuyến trong tạp chí điện tử British Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics tại địa chỉ http://www.iop.org/EJ/abstract/0954-3899/34/1/009  và sẽ được đăng trong ấn bản của tạp chí này số ra tháng 1 năm 2007.

Các kết quả của khám phá này được trình bày lần đầu tiên ở một hội nghị chuyên đề kéo dài hai ngày vào tháng 10 tại trường đại học Buffalo.

Trong suốt hội nghị chuyên đề, các nhà khoa học đạt giải Nobel cùng các nhà khoa học danh tiếng thế giới tham gia hội nghị này đã bày tỏ sự ngạc nhiên và vui mừng trước việc hạt axion cuối cùng đã được tìm ra.

Hạt axion được xem là rất quan trọng đối với mô hình vật lý tiêu chuẩn và được tin là thành phần của phần lớn vật chất đen trong vũ trụ.

“Các kết quả này cho thấy rằng chúng ta đã tìm được hạt axion, một hạt thuộc họ phần tử mà họ phần tử này có thể cũng bao gồm cả hạt có khối lượng rất nặng mà hiện đang có nhu cầu rất lớn về chúng tại các phòng thí nghiệm khác nhau,” tiến sĩ Jain cho biết.

Câu chuyện về việc tìm kiếm hạt axion trong ngành vật lý năng lượng cao – đừng nhầm lẫn với nghiên cứu tìm các hạt axion do mặt trời tạo ra, được thực hiện bởi các nhà vũ trụ học và các nhà vật lý học thiên thể - như một câu chuyện tiểu thuyết, với sự tham gia của những “đội quân” nhà vật lý cùng nhau nghiên cứu trong nhiều năm trời, bắt đầu từ thập niên 70 với niềm say mê khám phá ra hạt axion này.

Vào năm 1977, các nhà vật lý lý thuyết dự đoán rằng có thể có sự tồn tại của một hạt với các đặc tính rất giống với các hạt được miêu tả trong các bài viết nghiên cứu trước đó của tiến sĩ Jain; và lúc đó, cái tên “axion” đã ra đời.Sau nghiên cứu lý thuyết đó, có rất nhiều các bài viết của các nhà vật lý cả lý thuyết lẫn thực nghiệm, đều đề cập đến việc tìm kiếm hạt axion bằng cách sử dụng các tia từ máy gia tốc có năng lượng thấp – trung bình – cao từ các phòng thí nghiệm khác nhau trên khắp thế giới.

Nhưng vào những năm 90, khi việc tìm kiếm hạt này cho thấy quá khó khăn, rất nhiều nhóm nhà vật lý sau đó đã từ bỏ việc tìm kiếm này, dựa vào bằng chứng gây hoang mang rằng có lẽ hạt trêu người này thật sự không tồn tại. Một vài nhóm còn phủ nhận một cách dứt khoát về sự tồn tại của nó và bắt đầu xem nó như là một hạt không có thực.

Niềm yêu thích ban đầu của tiến sĩ Jain về các hạt khó tìm này bắt nguồn từ nghiên cứu do ông thực hiện được công bố vào năm 1974 trong tạp chí Physical Review Letters và các tạp chí khác, trong đó đưa ra các cơ sở về sự tồn tại của các hạt với khối lượng cực nhỏ và có thời gian tồn tại cực ngắn qua các thí nghiệm bằng máy gia tốc hạt mà ông thực hiện tại Fermilab và Phòng Thí Nghiệm Quốc Gia Brookhaven.

Lúc đó, các bài viết của tiến sĩ Jain đã khơi gợi một ít niềm thích thú từ các nhà vật lý khác.

“Phân tử này được miêu tả trong bài viết nguyên bản của tôi vào năm 1974,” ông nói. “Thí nghiệm đó đã hé mở về sự tồn tại của những phân tử kiểu này nhưng không đủ thông tin để chứng minh được điều đó. Tôi biết là tôi phải chờ cho đến khi một máy gia tốc mới có thể tạo ra được một tia ion nặng với năng lượng rất lớn.”

Mãi đến năm 1999, một dự án có tên là thí nghiệm CERES được thực hiện tại phòng thí nghiệm vật lý phân tử lớn nhất thế giới CERN ở Geneva (Thụy Sĩ) mới một lần nữa tập trung vào việc tìm kiếm phân tử axion, nhưng dự án này lại cũng thất bại.

Theo tiến sĩ Jain, vần đề là do máy gia tốc của họ, chiếc máy điện tử tiêu chuẩn được sử dụng trong các thực nghiệm vật lý năng lượng cao ngày nay.

“Họ không biết làm thế nào để điều khiển máy gia tốc để tìm ra các hạt tồn tại với thời gian rất ngắn” - tiến sĩ Jain nói. “Tôi biết rằng đối với những phần tử không tồn tại lâu này – chỉ 10 đến 13 giây – máy gia tốc phải được đặt rất gần điểm tương tác, nơi mà sự va chạm giữa tia được phóng ra và đích bắn diễn ra, để làm cho phân tử được tạo ra không chạy đi quá xa; bởi vì nếu nó chạy quá xa, nó sẽ nhanh chóng bị phá hủy và dĩ nhiên chúng ta sẽ không thu giữ được nó. Đây là điều xảy ra trong hầu hết các thí nghiệm không thành công.”

Bằng cách sử dụng máy dò tìm thị giác, tiến sĩ Piyare Jain đã tìm ra hạt axion, một phần tử cực nhỏ không tích điện, có khối lượng rất thấp và tồn tại với thời gian ngắn hơn rất nhiều so với một nano giây. (Ảnh: PhysOrg)

Thay vì vậy, tiến sĩ Jain đã sử dụng máy dò tìm thị giác, được tạo từ vật liệu nhạy sáng emulsion 3 chiều, hoạt động vừa như đích bắn vừa như máy dò tìm và do đó có thể tìm ra các hạt tồn tại với thời gian cực ngắn, như hạt axion chẳng hạn. Tuy nhiên, để sử dụng thành công máy dò tìm chuyên dụng này, đòi hỏi người sử dụng phải được huấn luyện chuyên sâu và có kinh nghiệm.

Vào thập niên 1950, tiến sĩ Jain được đào tạo sử dụng loại máy dò tìm này bởi người phát triển ra nó, đó là người đạt giải thưởng Nobel, nhà vật lý học người Anh Cecil F. Powell. Tiến sĩ Jain đã sử dụng nó trong suốt công việc nghiên cứu của mình và đã thành công trong việc tìm ra các hiện tượng ngoại lai khác, như là hạt charm, hạt anomalon, thể plasma quark-gluon và luồng tập hợp hạt nhân. Trong thí nghiệm thành công này của ông, các hạt axion được tạo ra dưới điều kiện “khắc nghiệt”, điều kiện nhiệt độ cao và áp suất cao, bằng cách sử dụng tia chì ion nặng với năng lượng lên tới 25 nghìn tỷ electron volt tại phòng thí nghiệm CERN ở Geneva.

Các thí nghiệm của ông đã tạo ra 1.220 cặp electron với các cực điểm được xác định, nguồn gốc tạo ra các cặp electron. Chúng đạt đỉnh điểm ở mức khoảng 200 đến 300 micromet tính từ điểm tương tác, nơi diễn ra sự va chạm trong máy dò tìm emulsion.

“Chỉ với khoảng cách ngắn như vậy thì tôi mới tìm ra được dấu hiệu đạt đỉnh điểm của phần tử tồn tại với thời gian cực ngắn và có khối lượng rất thấp không tích điện này,” Ông nói.

Ông giải thích, sau khi được tạo ra, các axion nhanh chóng phá hủy thành hai cặp electron, electron và pozitron (phần rất nhỏ của vật chất có điện tích dương và có cùng khối lượng với electron).

“Chúng tôi xác định mỗi cực điểm cho mỗi cặp electron và chúng tôi không chấp nhận bất kỳ cặp electron nào nếu chúng tôi không biết đỉnh điểm của nó,” ông nói. “Gần máy gia tốc có sự tắc nghẽn tất cả các loại hạt khối lượng thấp, bao gồm cả axion. Vì vậy, môi trường xung quanh đó phải được loại bỏ khỏi sự tắc nghẽn này để có thể thu được tín hiệu của hạt axion.”

Trong suốt quá trình nghiên cứu dài và nổi tiếng của mình tại trường đại học Buffalo, tiến sĩ Jain đã viết 175 bài nghiên cứu khoa học về rất nhiều các đề tài vật lý, từ nghiên cứu về tia vũ trụ được thực hiện trên các chuyến bay bằng khinh khí cầu, cho đến các nghiên cứu được tài trợ bởi Viện Y Tế Quốc Gia, nghiên cứu về mô xương để tìm ra các phương pháp điều trị ung thư hiệu quả hơn. Ông kết luận “sau hơn nửa thế kỷ làm một nhà khoa học tại trường đại học Buffalo, tôi nhận thấy rằng với việc khám phá ra hạt axion này, nhiệm vụ của tôi đã hoàn thành”.

Thanh Vân