Một chân không sủi bọt, khàn khàn lấp đầy không gian lượng tử, làm biến dạng hình dạng của mọi nguyên tử hydro trong vũ trụ. Và bây giờ chúng ta biết rằng nó cũng làm biến dạng song sinh phản vật chất của thế giới hydro: chống hydro.
Phản vật chất là một chất ít được hiểu, hiếm có trong vũ trụ của chúng ta, rằng sự bắt chước gần như hoàn hảo, nhưng với tất cả các thuộc tính được đảo lộn. Chẳng hạn, electron là các hạt vật chất nhỏ mang điện tích âm. Cặp song sinh phản vật chất của chúng là những "positron" nhỏ mang điện tích dương. Kết hợp một electron và một proton (một hạt vật chất tích điện dương lớn hơn) và bạn có được một nguyên tử hydro đơn giản. Kết hợp một positron phản vật chất với một "antiproton" và bạn có được chất chống oxy hóa. Khi vật chất thường xuyên và phản vật chất chạm vào nhau, các hạt vật chất và phản vật chất hủy lẫn nhau.
Hiện tại, phản vật chất dường như là cặp song sinh hoàn hảo, đối kháng của vật chất và một trong những bí ẩn lớn của vật lý là tại sao vật chất lại thống trị không gian khi phản vật chất trở thành một người chơi nhỏ trong vũ trụ. Tìm thấy một số khác biệt giữa hai có thể giúp giải thích cấu trúc của vũ trụ hiện đại.
Sự thay đổi Lamb là một nơi tốt để tìm kiếm sự khác biệt đó, Makoto Fujiwara, nhà vật lý hạt người Canada liên kết với CERN và đồng tác giả của nghiên cứu mới, công bố ngày 19 tháng 2 trên tạp chí Nature. Các nhà vật lý lượng tử đã biết về hiệu ứng lượng tử kỳ lạ này, được đặt theo tên nhà vật lý Willis Lamb của Đại học Arizona, kể từ năm 1947. Tại hội nghị lớn sau chiến tranh đầu tiên của các nhà vật lý Mỹ, Lamb tiết lộ rằng một thứ gì đó vô hình bên trong các nguyên tử hydro đẩy vào các hạt bên trong của họ, tạo ra một khoảng cách lớn hơn giữa proton và electron quay quanh so với lý thuyết hạt nhân hiện có cho phép.
"Nói một cách đơn giản, sự thay đổi Lamb là một biểu hiện vật lý của hiệu ứng của" chân không ", Fujiwara nói với Live Science. "Khi bạn thường nghĩ về chân không, bạn nghĩ về 'không có gì.' Tuy nhiên, theo lý thuyết vật lý lượng tử, chân không chứa đầy cái gọi là 'hạt ảo', liên tục được sinh ra và phá hủy. "
Sự sủi bọt kỳ lạ của các hạt ngắn, nửa thực có tác động thực sự đến vũ trụ xung quanh. Và bên trong các nguyên tử hydro, nó tạo ra một áp lực ngăn cách hai hạt liên kết. Khám phá bất ngờ đã giành được giải thưởng Nobel vật lý năm 1955 của Lamb.
Nhưng trong khi các nhà vật lý đã biết trong nhiều thập kỷ rằng sự thay đổi Lamb đã thay đổi hydro, họ không biết liệu nó có ảnh hưởng đến việc chống hydro hay không.
Fujiwara và các đồng tác giả muốn tìm hiểu.
"Mục tiêu tổng thể của các nghiên cứu của chúng tôi là xem liệu có sự khác biệt nào giữa hydro và chống hydro không, và chúng tôi không biết trước sự khác biệt đó có thể xuất hiện ở đâu", Fujiwara nói với Live Science.
Để nghiên cứu câu hỏi, các nhà nghiên cứu đã thu thập các mẫu chống hydro một cách tỉ mỉ bằng cách sử dụng thí nghiệm phản vật chất Antihydrogen Laser Thiết bị Vật lý (ALPHA) tại Tổ chức Nghiên cứu Hạt nhân Châu Âu (CERN), phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân khổng lồ của lục địa. ALPHA mất vài giờ để tạo ra một mẫu chống hydro đủ lớn để hoạt động, Fujiwara nói.
Nó đình chỉ các chất trong từ trường đẩy lùi vật chất. Các nhà nghiên cứu ALPHA sau đó đã sử dụng chất chống oxy hóa bị bẫy bằng ánh sáng laser để nghiên cứu cách thức phản vật chất tương tác với các photon, có thể tiết lộ các đặc tính ẩn của các nguyên tử nhỏ.
Lặp đi lặp lại thí nghiệm của họ hàng chục lần trên các mẫu chống hydro khác nhau trong các điều kiện khác nhau, các nhà nghiên cứu ALPHA không tìm thấy sự khác biệt nào giữa sự thay đổi Lamb trong hydro và sự thay đổi Lamb trong chất chống hydro mà dụng cụ của họ có thể phát hiện được.
"Hiện tại, không có sự khác biệt được biết đến giữa các tính chất cơ bản của chống hydro và hydro thông thường", Fujiwara nói. "Nếu chúng tôi tìm thấy bất kỳ sự khác biệt, ngay cả số tiền nhỏ nhất, nó sẽ buộc một sự thay đổi căn bản trong cách chúng tôi hiểu vũ trụ vật lý của chúng tôi."
Mặc dù các nhà nghiên cứu chưa tìm thấy bất kỳ sự khác biệt nào, vật lý chống hydro vẫn là một lĩnh vực trẻ. Các nhà vật lý thậm chí không có bất kỳ mẫu nào được nghiên cứu dễ dàng cho đến năm 2002 và ALPHA đã không bắt đầu thường xuyên bẫy các mẫu hydro cho đến năm 2011.
Phát hiện này là "bước đầu tiên", Fujiwara nói, nhưng vẫn còn nhiều điều phải nghiên cứu trước khi các nhà vật lý thực sự hiểu cách so sánh hydro và chống hydro.
