Bí ẩn hạt nhân Helium: Tại sao nó không phù hợp với lý thuyết?

Helium là nguyên tố phổ biến thứ hai trong vũ trụ, sau hydro. Nó cũng là loại khí hiếm nhẹ nhất trên Trái Đất và thường được sử dụng trong điện lạnh và các ứng dụng y tế. Hạt nhân của helium rất đơn giản, chỉ bao gồm hai proton và hai neutron và được gọi là helium-4. Tuy nhiên, chính hạt nhân đơn giản này đã đặt ra một vấn đề cho các nhà khoa học: hành vi của nó không phù hợp với những dự đoán lý thuyết.

Các dự đoán lý thuyết dựa trên Mô hình Chuẩn, một tập hợp các phương trình toán học mô tả các hạt hạ nguyên tử và tương tác của chúng. Mô hình Chuẩn là một trong những lý thuyết thành công nhất trong vật lý, có thể giải thích hầu hết các hiện tượng thực nghiệm, bao gồm một số hạt kỳ lạ trong vật lý năng lượng cao, chẳng hạn như boson Higgs. 

Tuy nhiên, Mô hình Chuẩn không hoàn hảo và nó cũng có một số vấn đề chưa giải thích được, chẳng hạn như bản chất của vật chất tối và năng lượng tối, cũng như lượng tử hóa lực hấp dẫn. Do đó, các nhà vật lý đã tìm kiếm nền vật lý mới ngoài Mô hình Chuẩn, tức là một số lý thuyết mới hoặc các hạt mới có thể sửa đổi hoặc vượt qua Mô hình Chuẩn.

Hoạt động của hạt nhân helium có thể là một bước đột phá, có khả năng tiết lộ nền vật lý mới mà Mô hình Chuẩn không thể giải thích được. Phát hiện này dựa trên một thí nghiệm gần đây sử dụng một kỹ thuật đặc biệt để bắn phá các nguyên tử helium bằng chùm tia điện tử, khiến hạt nhân của nó đi vào trạng thái kích thích. 

Kỹ thuật này đo phản ứng của proton và neutron trong hạt nhân helium với chùm tia điện tử, tiết lộ cấu trúc và tương tác bên trong của chúng. Tuy nhiên, các kết quả thí nghiệm khác biệt đáng kể so với các dự đoán lý thuyết, chứng tỏ rằng sự hiểu biết của chúng ta về hạt nhân helium phần lớn vẫn còn thiếu sót.

Thiết bị cốt lõi của thí nghiệm là máy gia tốc electron, có thể tạo ra chùm electron năng lượng cao để nghiên cứu tính chất của hạt nhân nguyên tử. Nguyên lý của máy gia tốc electron là sử dụng điện trường để gia tốc các electron đến tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng, sau đó dùng từ trường để hội tụ và dẫn hướng chùm electron, cuối cùng chiếu chùm electron vào vật liệu mục tiêu để quan sát tương tác của nó với hạt nhân nguyên tử.

Chất mục tiêu của thí nghiệm là một thùng chứa đầy khí heli, được đặt trong buồng chân không để ngăn chùm tia điện tử va chạm với các phân tử khác trong không khí. Khi một chùm electron chạm vào một nguyên tử helium, nó sẽ đẩy hạt nhân helium vào một trạng thái đặc biệt gọi là trạng thái kích thích đơn cực cân bằng. 

Trạng thái này được đặc trưng bởi thực tế là bán kính của hạt nhân helium thay đổi định kỳ theo thời gian, giống như một quả cầu giãn nở rồi lạ co vào. Trạng thái này rất không ổn định và nó sẽ nhanh chóng phân hủy trở lại thành hạt nhân helium bình thường, đồng thời giải phóng một số năng lượng.

Mục đích của thí nghiệm là đo các tính chất của hạt nhân helium ở trạng thái kích thích này, đặc biệt là bán kính và hình dạng của nó. Để làm được điều này, các nhà thí nghiệm đã sử dụng một kỹ thuật gọi là tán xạ electron, một hiện tượng tương tự như tán xạ trong quang học, trong đó khi một chùm electron gặp hạt nhân nguyên tử, nó bị lệch do sự phân bố điện tích của hạt nhân, do đó làm thay đổi hướng và năng lượng của chùm electron. Bằng cách phân tích góc và cường độ tán xạ electron, có thể suy ra sự phân bố điện tích của hạt nhân, từ đó có thể thu được bán kính và hình dạng của hạt nhân.

Khó khăn của thí nghiệm là tín hiệu từ sự tán xạ electron rất yếu và cần cường độ chùm electron rất cao và một máy dò rất chính xác để đo nó. Ngoài ra, các yếu tố khác có thể ảnh hưởng đến kết quả thí nghiệm cần phải được loại bỏ, chẳng hạn như sự tương tác của các electron với đám mây điện tử của nguyên tử helium và sự tương tác của các electron với hạt nhân của các nguyên tử khác. 

Để giải quyết những vấn đề này, các nhà thí nghiệm đã sử dụng một số công nghệ và thiết bị tiên tiến như máy gia tốc điện tử siêu dẫn, helium có độ tinh khiết cao, máy quang phổ có độ phân giải cao, v.v.

Kết quả của thí nghiệm thật đáng ngạc nhiên và trái ngược hoàn toàn với những dự đoán lý thuyết. Những tiên đoán lý thuyết này dựa trên một cách tiếp cận gọi là lý thuyết trường hiệu dụng, một mô hình đơn giản hóa mô tả sự tương tác của proton và neutron trong hạt nhân nguyên tử. 

Có nhiều phiên bản khác nhau của lý thuyết trường hiệu dụng có thể tính đến các mức độ phức tạp khác nhau, chẳng hạn như hiệu ứng tương đối tính, tương tác bậc cao, tương tác tầm ngắn, v.v.. Ưu điểm của lý thuyết trường hiệu dụng là có thể sử dụng các phương pháp số để giải các phương trình của hạt nhân để thu được các tính chất của hạt nhân như năng lượng, bán kính, hình dạng, v.v.

Tuy nhiên, kết quả thực nghiệm cho thấy dù sử dụng phiên bản nào của lý thuyết trường hiệu dụng thì nó cũng không thể phù hợp với dữ liệu thực nghiệm. Dữ liệu thực nghiệm cho thấy bán kính của hạt nhân helium ở trạng thái kích thích đơn cực đều lớn hơn nhiều so với dự đoán trên lý thuyết và hình dạng của nó không hoàn toàn là hình cầu và có một số biến dạng. 

Những khác biệt này gợi ý rằng lý thuyết trường hiệu dụng không nắm bắt được đầy đủ sự tương tác thực sự của proton và neutron trong hạt nhân, hoặc có một số hiệu ứng vật lý mới xảy ra mà lý thuyết trường hiệu dụng không nắm bắt được.

Ý nghĩa của các kết quả thí nghiệm là rất đáng kể và nó có thể tiết lộ một số hiện tượng vật lý mới ngoài Mô hình Chuẩn. Những hiện tượng vật lý mới này có thể là những tương tác mới hoặc những hạt mới ảnh hưởng đến hoạt động của hạt nhân nguyên tử nhưng không được Mô hình Chuẩn mô tả. 

Những hiện tượng vật lý mới này có thể tồn tại ở vùng năng lượng thấp và do đó khó phát hiện bằng các thí nghiệm trong vật lý năng lượng cao. Tuy nhiên, thông qua các phép đo chính xác của các hệ đơn giản như hạt nhân helium, chúng ta có thể khám phá ra những khả năng của những hiện tượng vật lý mới này.

Vậy chính xác những hiện tượng vật lý mới này là gì? Hiện tại vẫn chưa có câu trả lời chắc chắn, nhưng có một số ứng cử viên khả thi. Một trong số đó là mô men lưỡng cực điện của neutron, một đại lượng vật lý mô tả sự phân bố điện tích bên trong neutron. Nếu neutron là một hạt đối xứng hoàn hảo thì mô men lưỡng cực điện của nó sẽ bằng 0, nhưng nếu neutron có một chút bất đối xứng thì mô men lưỡng cực điện của nó sẽ có giá trị khác 0. Giá trị này nhỏ đến mức khó đo trực tiếp nhưng nó có thể ảnh hưởng đến hoạt động của hạt nhân helium, đặc biệt là ở trạng thái kích thích. Nếu mô men lưỡng cực điện neutron tồn tại, nó có thể là biểu hiện của một cơ sở vật lý mới ngoài Mô hình Chuẩn.

Một ứng cử viên khả dĩ khác là vật chất tối, một chất chưa biết chiếm khoảng 85% vật chất trong vũ trụ nhưng không phát ra bất kỳ ánh sáng hay bức xạ điện từ nào và do đó rất khó phát hiện. Bản chất của vật chất tối là một bí ẩn lớn, với nhiều lý thuyết và mô hình khác nhau đang cố gắng giải thích nó. Một số lý thuyết và mô hình này tin rằng vật chất tối có thể được tạo thành từ các hạt mới có thể tương tác yếu với các hạt vật chất thông thường, do đó ảnh hưởng đến tính chất của hạt nhân nguyên tử. Nếu các hạt vật chất tối tồn tại, chúng có thể là biểu hiện của một nền vật lý mới nằm ngoài Mô hình Chuẩn.

Có những khả năng khác, chẳng hạn như các chiều không gian bổ sung, siêu đối xứng, graviton, v.v., là những dự đoán của các lý thuyết và mô hình cố gắng giải quyết các vấn đề của Mô hình Chuẩn. Những lý thuyết và mô hình này thường liên quan đến năng lượng rất cao và quy mô rất nhỏ, khiến chúng khó kiểm tra bằng thực nghiệm. Tuy nhiên, chúng cũng có thể tạo ra một số hiệu ứng yếu ở năng lượng thấp và quy mô lớn, ảnh hưởng đến hoạt động của hạt nhân nguyên tử. Nếu những hiệu ứng này tồn tại, chúng có thể là biểu hiện của một nền vật lý mới nằm ngoài Mô hình Chuẩn, vì Mô hình Chuẩn không giải thích được chúng.

Tham khảo: Zhihu