Các nhà khoa học tiến gần đến giải mã bí mật của phản vật chất (antimatter)

Không lâu sau vụ nổ lớn Big Bang, dẫn đến sự hình thành của Vũ trụ, vật chất (matter) và phản vật chất (antimatter) cùng tồn tại với một số lượng ngang bằng nhau

Các nhà khoa học đã đạt được một phát hiện quan trọng về antimatter - một hợp chất bí mật tồn tại rất nhiều kể từ khi Vũ trụ hình thành.

Antimatter là cái nghịch lại với Matter là thứ cấu tạo nên những ngôi sao và các hành tinh.

Cả antimatter và matter 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 matter thì có ở khắp mọi nơi, antimatter hiện nay lại rất khó được phát hiện.

Nghiên cứu mới nhất phát hiện antimatter và matter 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 matter và antimatter, để giải đáp cách Vũ trụ ra đời như thế nào.

Nếu phát hiện rằng antimatter bị trọng lực (gravity) đẩy ra xa thay vì hút xuống, thì những gì chúng ta hiểu về vật lý học lâu nay có lẽ sẽ bị phá vỡ hoàn toàn.

Hiện nay các nhà khoa học lần đầu tiên đã xác nhận rằng nguyên tử của antimatter cũng rơi xuống khi bị trọng lực hút. Nhưng đây hoàn toàn không phải là một thế bế tắc về khoa học, khám phá này đã mở một cánh cửa mới về những thí nghiệm và lý thuyết mới.

Ví dụ như, antimatter có rơi cùng một vận tốc như matter hay không?

Trong vụ nổ lớn Big Bang, matter và antimatter đáng ra cùng bị kết hợp và triệt tiêu lẫn nhau, không để sót lại gì ngoài ánh sáng.

Thế nhưng tại sao chúng lại không kết hợp với nhau lại ? Đó là một trong những bí ẩn lớn nhất trong vật lý học, và việc phát hiện sự khác biệt giữa matter và antimatter là chìa khóa để giải quyết mọi thắc mắc.

Theo cách nào đó, matter đã vượt thoát qua antimatter trong những thời khắc đầu tiên khi chúng 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 trung tâm Cern ở Thụy Sĩ, một trong những phòng thí nghiệm vật lý lớn nhất thế giới chuyên về hạt tử.

"Chúng tôi chưa hiểu được cách Vũ trụ của chúng ta bị các hạt thống trị ra sao, và vì vậy đây là điều đã thúc đẩy các cuộc thí nghiệm của chúng tôi," bà cho tôi biết.

Hầu hết antimatter chỉ tồn tại ngắn ngủi trong vũ trụ, trong vài phần của giây. Vì vậy để tiến hành thí nghiệm này, đội ngũ của Cern cần phải thực hiện theo một hình thức kéo dài sự tồn tại của chúng .

Giáo sư Jeffrey Hangst đã có 30 năm thiết lập một cơ sở để xây dựng hàng ngàn nguyên tử antimatter từ các hạt nguyên tử phụ, thu giữ chúng lại rồi cho chúng rơi xuống dưới sức hút của trọng lực.

"Antimatter 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 vũ trụ của chúng ta, với bạn và tôi được cấu tạo từ antimatter," Giáo sư Hangst nói với tôi.

"Đây là điều thật gây cảm hứng để tìm lời giải đáp, một trong những vấn đề nền tảng đang mở ra để tìm hiểu antimatter là gì và nó hoạt động ra sao."

Các kỹ sư thêm khí helium lỏng và hệ thống để giữ antimatter ở mức - 270 độ C, gần với nhiệt độ thấp nhất có thể, nhiệt độ 0 tuyệt đối

Antimatter là gì?

Hãy bắt đầu với câu hỏi matter là gì trước. Mọi thứ trong thế giới của chúng ta đều được tạo nên từ matter, 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 antimatter thì điện tích đi ngược lại.

Antihydro (Phản hydro), là một phản hạt của hydro, được sử dụng trong các nghiên cứu của Cern. Nhân ở giữa của Antihydro là một antiproton (phản proton) mang điện tích âm, và có một phiên bản của electron được gọi là Positron mang điện tích dương xoay xung quanh.

Những hạt antiproton này được tạo nên từ việc cho các hạt nhân va đập với nhau trong các máy gia tốc ở phòng thí nghiệm Cern. Chúng được phóng dọc theo các đường ống với vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng ở phòng thí nghiệm antimatter. Chúng bay quá nhanh khiến các nhà nghiên cứu không thể kiểm soát kịp.

Bước đầu tiên là phải làm chậm chúng, các nhà nghiên cứu thực hiện điều này bằng cách đưa chúng bay vòng vòng mãi trong đường ống vòng tròn để từ từ mất bớt năng lượng rồi bay chậm lại cho đến khi chúng bay ở vận tốc có thể kiểm soát được.

Các hạt antiproton 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 antihydro.

Nam châm khổng lồ này tạo nên từ trường, cầm giữ chất antihydro. Nếu antihydro chạm vào thành của ống thu thì chúng sẽ bị phá hủy ngay lập tức, bởi vì antimatter không thể tồn tại nếu tiếp xúc với thế giới của chúng ta.

Khi từ trường được tắt thì nguyên tử antihydro được phóng thích, và các máy cảm biến sau đó phát hiện liệu chúng di chuyển hướng lên hay hướng xuống dưới ảnh hưởng của trọng lực (gravity).

Một số nhà khoa học đã đưa ra giả thuyết tiên đoán antimatter 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 matter, 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 antimatter không hướng lên, không đồng nghĩa chúng rơi xuống chính xác cùng vận tốc với matter.

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 antimatter 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.

Tác giả : Pallab Ghosh            

Nguồn: BBC