Các nhà khoa học đã đạt được một phát hiện quan trọng về phản vật chất – một hợp chất bí mật tồn tại rất nhiều kể từ khi Vũ trụ hình thành.
Phản vật chất được hình thành từ các phản hạt cơ bản, những hạt này là thành phần cấu tạo nên những ngôi sao và các hành tinh.
Cả phản vật chất và vật chất đều được hình thành với tỷ lệ ngang bằng nhau từ vụ nổ lớn Big Bang, hình thành nên Vũ trụ của chúng ta ngày nay.
Trong khi vật chất thì có ở khắp mọi nơi, phản vật chất hiện nay lại rất khó được phát hiện.
Nghiên cứu mới nhất phát hiện phản vật chất và vật chất phản ứng với trọng lực giống nhau.
Trong nhiều năm qua, các nhà vật lý học đã cố gắng giải mã sự khác biệt và tương đồng của vật chất và phản vật chất, để giải đáp cách Vũ trụ ra đời như thế nào.
Nếu phát hiện phản vật chất phản ứng bay lên trong môi trường có trọng lực, thay vì rơi xuống, những gì chúng ta hiểu về vật lý học có lẽ đã bị phá vỡ hoàn toàn.
Hiện các nhà khoa học đã lần đầu tiên xác nhận, đó là nguyên tử của phản vật chất rơi xuống. Nhưng đây hoàn toàn không phải là một thế bế tắc về khoa học, câu chuyện này đã mở một cánh cửa mới về những thí nghiệm và lý thuyết mới.
Ví dụ như, phản vật chất có rơi cùng một vận tốc hay không?
Trong vụ nổ lớn Big Bang, vật chất và phản chất đã cùng kết hợp và triệt tiêu nhau, không để còn gì sót lại ngoài ánh sáng.
Thế nhưng tại sao chúng lại không kết hợp với nhau lại là một trong những bí ẩn lớn nhất trong vật lý học, và phát hiện sự khác biệt giữa vật chất và phản vật chất là chìa khóa để giải quyết vấn đề.
Theo cách nào đó, vật chất đã vượt qua phản vật chất trong những thời khắc đầu tiên được sản sinh. Cách chúng phản ứng với trọng lực, có thể đóng vai trò quan trọng, theo Tiến sĩ Danielle Hodgkinson, thành viên của đội nghiên cứu của Cern ở Thụy Sĩ, một trong những phòng thí nghiệm vật lý chuyện về hạt lớn nhất thế giới.
“Chúng tôi chưa hiểu được cách Vũ trụ của chúng ta bị hạt thống trị và vì vậy đây là điều đã thúc đẩy các cuộc thí nghiệm của chúng tôi,” bà cho tôi biết.
Hầu hết phản vật chất chỉ tồn tại ngắn ngủi trong Vũ trụ, vài phần của giây. Vì vậy để tiến hành thí nghiệm này, đội ngũ của Cern cần phải thực hiện theo một hình thức ổn định và kéo dài.
Giáo sư Jeffrey Hangst đã có 30 năm thiết lập một cơ sở để xây dựng hàng ngàn nguyên tử phản vật chất từ các hạt nguyên tử phụ, thu giữ chúng lại rồi cho chúng rơi xuống.
“Phản vật chất là một thứ bí ẩn nhất, thú vị nhất mà bạn có thể tưởng tượng ra được,” ông nói với tôi.
“Theo những gì chúng tôi hiểu, bạn có thể thiết lập một vũ trụ giống như chúng ta với bạn và tôi hình thành từ phản vật chất,” Giáo sư Hangst nói với tôi.
“Đây là điều thật gây cảm hứng để tìm lời giải đáp, một trong những câu hỏi mở mang tính nền tảng nhất về phản vật chất và cách thức nó phản ứng.”
Osiris-Rex: Tiểu hành tinh Bennu ‘là một chặng đường tìm về nguồn gốc của chúng ta’
Phản vật chất là gì?
Hãy bắt đầu với vật chất là gì. Mọi thứ trong thế giới của chúng ta đều được tạo nên từ vật chất, từ các hạt nhỏ gọi là nguyên tử.
Nguyên tử đơn giản nhất là hydro. Đó là loại nguyên tử cấu thành phần lớn nên Mặt Trời. Một nguyên tử hydro được tạo nên từ một hạt proton mang điện tích dương ở giữa và một hạt electron có điện tích âm xoay xung quanh.
Còn đối với phản vật chất thì điện tích đi ngược lại.
Phản hydro, là một phản hạt của hydro, được sử dụng trong các nghiên cứu của Cern. Phản hydro có một phản proton mang điện tích âm ở giữa và phản hạt positron của electron mang điện tích dương xoay xung quanh.
Bí ẩn của vũ trụ: Những gì tồn tại trước vụ nổ Big Bang?
Osiris-Rex: Tiểu hành tinh Bennu ‘là một chặng đường tìm về nguồn gốc của chúng ta’
Những hạt phản proton này được tạo nên từ các hạt va đập với nhau trong các máy gia tốc ở phòng thí nghiệm Cern. Chúng di chuyển đến phòng thí nghiệm phản vật chất dọc theo các ống với vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng. Các nhà nghiên cứu không thể kiểm soát vì chúng di chuyển quá nhanh.
Bước đầu tiên là làm chậm chúng, các nhà nghiên cứu thực hiện điều này bằng cách đưa chúng đi vòng quanh một chiếc vòng. Điều này rút năng lượng của chúng, cho đến khi chúng có thể di chuyển ở vận tốc có thể kiểm soát được.
Các hạt phản proton và positron sau đó được chuyển đến một nam châm khổng lồ, nơi chúng được kết hợp với nhau để tạo nên hàng ngàn nguyên tử phản hydro.
Nam châm này tạo nên từ trường, lưu giữ phản hydro. Nếu chạm bên thành của ống thu thì chúng sẽ bị phá hủy ngay lập tức, bởi vì phản vật chất không thể tồn tại nếu tiếp xúc với thế giới của chúng ta.
Khi từ trường được tắt thì nguyên tử phản hydro được phóng thích. Các máy cảm biến sau đó phát hiện liệu chúng di chuyển hướng lên hay hướng xuống.
Một số nhà khoa học đã đưa ra giả thuyết tiên đoán phản vật chất có thể hướng lên, mặc dù, hầu hết nhà khoa học khác, đáng chú ý là Albert Einstein trong Thuyết tương đối cách đây hơn một thế kỷ, nói phản vật có thể có thể phản ứng giống vật chất, đó là rơi xuống dưới.
Các nhà nghiên cứu từ Cern hiện đã khẳng định, với mức độ chắc chắn nhất từ trước đến nay, rằng Einstein đã đúng.
Nhưng bởi vì phản vật chất không hướng lên, không đồng nghĩa chúng rơi xuống chính xác cùng vận tốc với vật chất.
Trong những bước nghiên cứu tiếp theo, đội ngũ nghiên cứu đang nâng cấp nghiên cứu của mình để tăng độ nhạy, xem xét liệu có sự khác biệt nhỏ nào trong tốc độ rơi của phản vật chất hay không.
Nếu có, điều này có thể mang lại lời giải đáp cho một câu hỏi lớn nhất, đó là Vũ trụ đã hình thành như thế nào.
Kết quả đã được đăng tải trên tạp chí khoa học Nature.
(Theo BBC News Tiếng Việt)
