Bẫy phản hiđro tại CERN

Hamish Johnston

Các điện cực bằng vàng được đặt trong một ống chân không có hệ thống điều nhiệt. Hệ thống này dùng để trộng positron và phản proton để tạo thành các nguyên tử phản hi-đrô của ALPHA. (Nguồn Niels Madsen ALPHA/Swansea)

Các nhà vật lý tại CERN đã lần đầu tiên bắt giữ và lưu trữ các nguyên tử phản vật chất trong thời gian đủ lâu để tiến hành nghiên cứu các tính chất của nó một cách chi tiết. Làm việc tại phòng thí nghiệm ALPHA, nhóm nghiên cứu đã tiến hành bẫy 38 nguyên tử phản hi-đrô trong thời gian 170ms. Bước kế tiếp, các nhà khoa học sẽ đo phổ năng lượng của các nguyên tử này, qua đó cung cấp những bằng chứng quan trọng cho việc giải đáp tại sao trong vũ trụ, vật chất lại chiếm ưu thế so với phản vật chất đến vậy, chẳng hạn.

Phản hi-đrô là dạng phản vật chất của nguyên tử hi-đrô, được tạo thành tử 1 hạt positron, là phản electron, và một hạt phản proton. Theo mô hình chuẩn của vật lý hạt, thang năng lượng của phản hi-đrô trùng khít với thang năng lượng của hi-đrô. Bất cứ sự chênh lệch nào giữa chúng sẽ giúp các nhà vật lý đưa ra một giải thích tốt hơn cho sự khan hiếm của phản vật chất trong vũ trụ.

Mặc dù, tạo ra positron và phản proton khá dễ nhưng việc bắt giữ nó lại rất khó vì chúng sẽ tự hũy khi gặp eletron và proton (bất cứ cấu trúc vật chất nào cũng tạo thành từ hai hạt này). Cho đến năm 1995, cũng tại CERN, người ta đã cô lập được các phản hạt này, nhưng vẫn chưa đủ lâu để có thể tiến hành nghiên cứu.

Đám mây va chạm

Thí nghiệm bắt đầu bằng việc tạo ra các đám mây positron và phản proton. Các phản proton được tạo ra trong máy gia tốc bằng cách bắn chùm proton năng lượng cao tới các bia đứng yên. Các phản proton được tạo thành sẽ được làm chậm và lạnh đi nhờ vào một hệ thống bẫy điện từ và một vòng lưu trữ. Trong khi đó, các positron được tạo thành nhờ cá nguồn bức xạ và được tập trung và làm lạnh trong một chiếc bẫy đặc biệt.

Các đám mây phản hạt này được bơm vào một bẫy từ siêu dẫn. Ở đây, các phản proton và positron được trộn lẫn vào nhau trong khoảng 1s để tạo thành các phản hi-đrô. Sau đó, các hạt mang điện (positron và phản proton) được đẩy ra khỏi bẫy, còn lại các phản hi-đrô trung hòa điện. Trong khi hầu hết các phản hi-đrô này chuyển động khá nhanh trong bẫy, một số khác có động năng bé sẽ được giữ lại trong bẫy nhờ các gradient từ trường.

Nhóm nghiên cứu ALPHA dò được các phản hạt này bằng cách cho bẫy ngưng hoạt động và đo được năng lượng từ sự hủy của các phản hạt này với vật chất xung quanh. Điều bày cũng tạo ra một số hạt mang điện khác như pion, được dò thấy nhờ hệ thống máy dò đặc xung quanh. Tổng cộng, nhóm nghiên cứu đã tìm thấy 38 sự kiện hủy hạt do các phản hi-đro trong khoảng thời gian 170s.

Tìm kiếm sự vi phạm CPT

Bước tiếp theo, các nhà nghiên cứu sẽ sử dụng các phản hi-đrô để nghiên cứu một phép biến đổi cơ bản trong vật lý lượng tử, gọi là toán tử CPT (điện tích-chẳn lẽ-thời gian). Khi toán tử CPT được áp dụng cho một hệ vật lý, có 3 khả năng thường thấy: hạt biến thành phản hạt của nó(C), thứ tự không gian như trên-dưới(P), phải-trái bị hoán vị, và thời gian bị đảo ngược(T).

Các bằng chứng thí nghiệm cho tới nay vẫn chưa cho thấy đối xứng CPT bị vi phạm, tuy nhiên dễ dàng chỉ ra rằng có một sai khác nhỏ về tần số của phép biến đổi giữa hi-đrô và phản hi-đrô. Khám phạm về sự vi phạm này có thể giúp giải thích tại sao phản vật chất lại hiếm đến vậy.

"Bằng những lý do chưa ai hiểu được, tự nhiên đã không lựa chọn phản vật chất. Như một sự tưởng thưởng, những bí mật chôn vùi đã được tìm thấy tại các thiết bị ở ALPHA, các hạt phản vật chất ổn định và không mang điện," người phát ngôn của ALPHA Jeffrey Hangst tại đại học Denmark cho biết. "Điều này tạo động lực cho việc khám phá các bí mật mà phản vật chất đang nắm giữ, dù biết sẽ rất khó khăn."

Xem thêm chi tiết tại Nature doi:10.1038/nature09610.

Theo physicsworld.com

Thới Ngọc Tuấn Quốc