Thử nghiệm với hạt cơ bản muon cho thấy: hoặc ta tìm ra hạt mới, hoặc tìm ra lực cơ bản mới, đều sẽ khiến sách Vật lý trở nên "lỗi thời"

Cách đây không lâu, thí nghiệm thực hiện bằng Máy Gia tốc hạt Lớn cũng cho kết quả bất ngờ: ta có dấu hiệu cho thấy một lực mới hoặc một hạt mới đang tồn tại.

Tất cả những tác động của lực ta thấy trong đời sống hàng ngày sẽ được gói gọn vào 4 hạng mục lớn: 

- Lực Mạnh - Strong force, giữ các hạt lại với nhau tạo thành nguyên tử.

- Lực Yếu - Weak force, gây ra quá trình phân rã của hạt.

- Lực Điện từ - Electromagnetic force, chỉ tương tác giữa các hạt mang điện tích. 

- Lực Hấp dẫn - Gravity, chính là quy luật sai khiến các vật thể có khối lượng hoặc năng lượng phải làm gì.

Đã từ lâu, khoa học cho rằng Vũ trụ này không đơn giản thế. Và như để chứng minh cái ngờ vực có cơ sở, các nhà vật lý học vừa tìm ra những dấu hiệu cho thấy lực cơ bản thứ năm của tự nhiên có tồn tại. Từ một phòng thí nghiệm đặt gần thành phố Chicago, các nhà khoa học tạo ra được đột phá mới.

Thử nghiệm với hạt cơ bản muon cho thấy: hoặc ta tìm ra hạt mới, hoặc tìm ra lực cơ bản mới, đều sẽ khiến sách Vật lý trở nên lỗi thời - Ảnh 1.

Máy gia tốc hạt tại Mỹ phát hiện ra những điểm khác thường trong chuyển động của hạt muon.

Bốn lực cơ bản vốn chi phối mọi vật thể và mọi hạt có trong Vũ trụ, quyết định cách chúng tương tác với nhau. Tuy nhiên, vẫn có những tương tác, những chuyển động ta chưa lý giải được chỉ với 4 khái niệm hạn chế nói trên. Hội đồng Cơ sở Khoa học và Công nghệ Vương quốc Anh (STFC) nói rằng thí nghiệm mới “cung cấp bằng chứng lớn về sự tồn tại của một hạt hạ nguyên tử mới hoặc một lực mới”.

Tuy nhiên, kết quả từ những thử nghiệm Muon g-2 chưa ăn khớp với quan sát mới. Hiện tại, tỷ lệ xảy ra sai sót là 1/40.000, tương đương với mức tự tin vào khẳng định bằng 4,1 sigma. Ở mức sigma thứ 5, tức là tỷ lệ sai sót chỉ ở mốc 1/3.500.000, phát hiện vừa có được mới được chính thức công nhận là một khám phá.

Ông Mark Lancaster, giáo sư người Anh đứng đầu nghiên cứu mới, nói với đài BBC: “Chúng tôi phát hiện thấy nhiều những tương tác của các hạt muon không ăn khớp với Mô hình Vật lý Quy chuẩn”. Các nhà nghiên cứu tại Đại học Manchester tiếp lời: “Rõ ràng, đây là quan sát thú vị bởi lẽ nó có thể dẫn tới một tương lai mới, nơi ta tìm thấy những định luật vật lý mới, những hạt mới và những lực mà chúng ta chưa hay biết”.

Thử nghiệm với hạt cơ bản muon cho thấy: hoặc ta tìm ra hạt mới, hoặc tìm ra lực cơ bản mới, đều sẽ khiến sách Vật lý trở nên lỗi thời - Ảnh 2.

Phát hiện này là một trong nhiều những kết quả khả quan có được từ những thí nghiệm vật lý hạt tiến hành tại Mỹ, Nhật, và gần đây nhất, là tại Máy Gia tốc hạt Lớn nằm tại biên giới Thụy Sĩ và Pháp. Giáo sư Ben Allanach, chuyên gia tới từ Đại học Cambridge, người không góp mặt trong nghiên cứu mới, có lời nhận định: “Giác quan Người Nhện của tôi đang hoạt động, nó nói với tôi rằng đây sẽ là khám phá mới”.

Ông nói tiếp: “Suốt cả sự nghiệp, tôi đã tìm kiếm những lực và hạt vượt ngoài tầm hiểu biết hiện tại của ta, và đây chính là nó đó. Đây là giây phút tôi hằng mong đợi, tôi không ngủ nổi vì hào hứng quá”.

Trong thí nghiệm mới được tiến hành tại Phòng thí nghiệm Gia tốc hạt Quốc gia Fermi (Fermilab) đặt tại Illinois, các nhà nghiên cứu tìm kiếm những yếu tố mới của vật lý thông quan nghiên cứu hành vi của các hạt hạ nguyên tử có tên muon.

Trong Vũ trụ, tồn tại những hạt có kích cỡ nhỏ hơn cả nguyên tử, và chính là những viên gạch nhỏ xây nên thực tại. Trong số đó, lại có những hạt được cấu thành bởi những vật chất nhỏ hơn nữa, tuy nhiên vẫn có những hạt không thể được phân tách thành những thành tố nhỏ hơn - chúng được gọi là hạt cơ bản. Hạt muon là một trong số những yếu tố cơ bản ấy, chúng cũng có những điểm tương đồng với electron nhưng nặng hơn tới 200 lần. 

Các nhà nghiên cứu thực hiện thí nghiệm muon g-2 bằng cách đưa hạt bay trong một ống nối thành vòng tròn dài 14 mét, sau đó đưa toàn bộ đường ống vào từ trường. Dưới tác động của những định luật vật lý ta đã biết, là những thành tố tạo nên Mô hình Vật lý Cơ bản, hạt muon sẽ rung rinh tại những tỷ lệ nhất định.

Thử nghiệm với hạt cơ bản muon cho thấy: hoặc ta tìm ra hạt mới, hoặc tìm ra lực cơ bản mới, đều sẽ khiến sách Vật lý trở nên lỗi thời - Ảnh 3.

Máy Gia tốc Hạt Lớn.

Vậy mà các nhà khoa học lại thấy các hạt muon rung nhanh hơn bình thường. Rất có thể, đã có một lực khác tác động lên những hạt cơ bản nhỏ bé này. Chưa ai rõ thứ gì có thể khiến hạt muon phản ứng như vậy.

Các nhà vật lý lý thuyết tin vào một khả năng khác hơn là lực cơ bản thứ năm: các hạt muon đã bị ảnh hưởng bởi những hạt hạ nguyên tử khác mà ta chưa biết. Hiện có hai ứng cử viên cho vị trí này, là hạt leptoquark và hạt Z’ boson (hay còn gọi là Z-prime boson).

Tháng trước, các nhà vật lý học công tác tại Máy Gia tốc hạt Lớn cũng đã có một kết quả nghiên cứu bất ngờ: thí nghiệm của họ cho thấy những hạt mới hay những lực mới đang tồn tại, và ta đang tiến gần hơn tới thời khắc khám phá ra chúng.

Giáo sư Mitesh Patel tới từ Đại học Hoàng gia London, người đã cộng tác với nhóm thực hiện thí nghiệm tại Máy Gia tốc hạt Lớn, nói: “Quá trình chạy nước rút hiện tại là cố gắng tạo ra được thử nghiệm cho bằng chứng chứng minh đây là thứ gì đó mới. Chúng ta sẽ cần thêm dữ liệu, thêm đo đạc và mong rằng, ta sẽ sớm có chứng cứ cho thấy những hiệu ứng [lên hạt muon] này là thật”.

Một lực cơ bản thứ năm sẽ có thể giải thích được nhiều những câu đố vẫn đang làm đau đầu các nhà nghiên cứu. Ví dụ, như hành trình khám phá ra năng lượng tối - một “thứ” đang khiến Vũ trụ giãn nở về mọi hướng với tốc độ lớn. Nhiều nhà nghiên cứu cho rằng đó chính là lực cơ bản thứ năm mà ta chưa có công thức.

Những khám phá này có khả năng viết lại sách vật lý mà ta đang biết, và tìm ra được những khái niệm toán học mới giải nghĩa được Vũ trụ rộng lớn và bí ẩn này.