Mô hình chuẩn của vật lý hạt là phương tiện chính để giải thích các khối xây dựng cơ bản của vật chất là gì và cách chúng tương tác trong nhiều thập kỷ. Lần đầu tiên được đề xuất vào những năm 1970, mô hình tuyên bố rằng đối với mỗi hạt được tạo ra, đều có một hạt chống. Như vậy, một bí ẩn lâu dài được đặt ra bởi mô hình này là lý do tại sao Vũ trụ có thể tồn tại nếu về mặt lý thuyết được tạo thành từ các phần bằng nhau của vật chất và phản vật chất.
Sự chênh lệch dường như này, được gọi là vi phạm tính phí tương đương (CP), là chủ đề của các thí nghiệm trong nhiều năm. Nhưng cho đến nay, không có cuộc biểu tình dứt khoát nào được thực hiện cho vi phạm này, hoặc có bao nhiêu vật chất có thể tồn tại trong Vũ trụ mà không có đối tác của nó. Nhưng nhờ những phát hiện mới được công bố bởi sự hợp tác quốc tế Tokai-Kamioka (T2K), chúng ta có thể tiến một bước gần hơn để hiểu tại sao sự chênh lệch này tồn tại.
Lần đầu tiên được quan sát vào năm 1964, vi phạm CP đề xuất rằng trong một số điều kiện nhất định, các luật đối xứng điện tích và đối xứng chẵn lẻ (hay còn gọi là đối xứng CP) không được áp dụng. Các định luật này quy định rằng vật lý điều khiển một hạt sẽ giống nhau nếu nó được hoán đổi với phản hạt của nó, trong khi tọa độ không gian của nó sẽ bị đảo ngược. Từ quan sát này, một trong những bí ẩn vũ trụ vĩ đại nhất đã xuất hiện.
Nếu các luật chi phối vật chất và phản vật chất là như nhau, thì tại sao Vũ trụ lại bị chi phối vật chất đến vậy? Thay vào đó, nếu vật chất và phản vật chất khác nhau về cơ bản, thì làm thế nào điều này phù hợp với các khái niệm đối xứng của chúng ta? Trả lời những câu hỏi này không chỉ quan trọng đối với các lý thuyết vũ trụ học chiếm ưu thế của chúng ta, mà còn là bản chất để hiểu làm thế nào các tương tác yếu chi phối các hạt hoạt động.
Được thành lập vào tháng 6 năm 2011, sự hợp tác quốc tế của T2K là thử nghiệm đầu tiên trên thế giới dành riêng cho việc giải đáp bí ẩn này bằng cách nghiên cứu các dao động neutrino và chống neutrino. Thí nghiệm bắt đầu bằng chùm muon neutrino cường độ cao (hay muon chống neutrino) được tạo ra tại Khu liên hợp nghiên cứu máy gia tốc Proton Nhật Bản (J-PARC), sau đó được bắn về phía máy dò Super-Kamiokande cách đó 295 km.
Máy dò này hiện là một trong những máy bay lớn nhất và tinh vi nhất thế giới, dành riêng cho việc phát hiện và nghiên cứu neutrino mặt trời và khí quyển. Khi neutrino di chuyển giữa hai cơ sở, chúng thay đổi hương vị Hồi giáo - đi từ muon neutrino hoặc chống neutrino sang neutrino electron hoặc chống neutrino. Khi theo dõi các chùm neutrino và chống neutrino này, các thí nghiệm theo dõi các tốc độ dao động khác nhau.
Sự khác biệt về dao động này sẽ cho thấy rằng có sự mất cân bằng giữa các hạt và phản hạt, và do đó lần đầu tiên cung cấp bằng chứng rõ ràng về vi phạm CP. Nó cũng sẽ chỉ ra rằng có những vật lý vượt ra ngoài Mô hình Chuẩn mà các nhà khoa học chưa thăm dò. Tháng Tư vừa qua, bộ dữ liệu đầu tiên được sản xuất bởi T2K đã được phát hành, cung cấp một số kết quả cho biết.
Như Mark Hartz, một cộng tác viên của T2K và Giáo sư Trợ lý Dự án Kavli IPMU, đã nói trong một thông cáo báo chí gần đây:
Mặc dù các bộ dữ liệu vẫn còn quá nhỏ để đưa ra kết luận, chúng tôi đã thấy một ưu tiên yếu đối với vi phạm CP lớn và chúng tôi rất vui mừng tiếp tục thu thập dữ liệu và thực hiện tìm kiếm nhạy cảm hơn đối với vi phạm CP.
Những kết quả này, được công bố gần đây trong Thư đánh giá vật lý, bao gồm tất cả dữ liệu chạy từ giữa tháng 1 năm 2010 đến tháng 5 năm 2016. Tổng cộng, dữ liệu này bao gồm 7.482 x 1020 các proton (ở chế độ neutrino), tạo ra 32 electron neutrino và 135 muon neutrino và 7.471 × 1020 các proton (ở chế độ antineutrino), tạo ra 4 electron chống neutrino và 66 muon neutrino.
Nói cách khác, lô dữ liệu đầu tiên đã cung cấp một số bằng chứng cho vi phạm CP và với khoảng tin cậy là 90%. Nhưng đây mới chỉ là khởi đầu và thử nghiệm dự kiến sẽ kéo dài thêm mười năm nữa trước khi kết thúc. Nếu chúng ta may mắn và hiệu ứng vi phạm CP lớn, chúng ta có thể mong đợi 3 bằng chứng sigma, hoặc khoảng 99,7% mức độ tin cậy, đối với vi phạm CP vào năm 2026, ông Hartz nói.
Nếu thí nghiệm chứng minh thành công, các nhà vật lý cuối cùng có thể trả lời được rằng vũ trụ ban đầu đã tự hủy diệt nó như thế nào. Nó cũng có khả năng giúp tiết lộ các khía cạnh của Vũ trụ mà các nhà vật lý hạt đang lo lắng để có được vào! Ở đây, câu trả lời cho những bí mật sâu sắc nhất của Vũ trụ, như cách tất cả các lực cơ bản của nó khớp với nhau, có khả năng sẽ được tìm thấy.
