Thế giới của thanh thiếu niên nhỏ bé, cõi lượng tử, có thể có một hương vị yêu thích.
Tất nhiên, chúng ta không nói về itty - một ít kem ốc quế. Thế giới của các hạt được chia thành ba phe, được gọi là "hương vị" (đừng hỏi tại sao). Ví dụ, các electron đại diện cho một hương vị, và có hai hạt khác có tính chất gần giống nhau, muon và tau, có hương vị riêng. Từ lâu chúng tôi đã nghi ngờ - nhưng chưa được chứng minh - rằng cả ba hương vị đều phải ngang nhau.
Nhưng, than ôi, nhiều năm thử nghiệm máy va chạm đang bắt đầu cho thấy rằng có lẽ không phải tất cả mọi thứ đều đều.
Kết quả của các thí nghiệm này vẫn còn dự kiến và không đủ quan trọng để khẳng định khám phá chắc chắn về vết nứt trong kinh thánh của vật lý hạt gọi là Mô hình Chuẩn. Tuy nhiên, nếu kết quả giữ vững, điều đó có thể mở ra cánh cổng để hiểu mọi thứ từ vật chất tối đến nguồn gốc của vũ trụ. Bạn biết đấy, những vấn đề lớn chưa được giải quyết trong vật lý hiện đại.
Hương vị chuẩn
Mô hình chuẩn của vật lý hạt thống trị tối cao, vượt qua thành công các thử nghiệm từ các thí nghiệm trên khắp thế giới trong suốt nhiều thập kỷ. Lý thuyết này thống nhất sự hiểu biết của chúng ta về ba trong bốn lực cơ bản của vũ trụ - điện từ, hạt nhân mạnh và hạt nhân yếu - dưới một biểu ngữ lượng tử duy nhất. Tất cả đã nói, đó là lý thuyết được thử nghiệm nhiều nhất trong tất cả các ngành khoa học, có khả năng giải thích một loạt các tương tác cơ bản.
Nói cách khác, bạn chỉ đơn giản là không gây rối với Mô hình Chuẩn.
Tuy nhiên, chúng ta biết bức tranh về thế giới hạ nguyên tử này không hoàn hảo. Chỉ cần nêu một vài ví dụ, nó không giải thích được khối lượng neutrino hoặc cho chúng ta manh mối về vật chất tối. Phần lớn các nhà vật lý tin rằng có một giả thuyết khác, cho đến nay vẫn chưa biết, bao gồm tất cả mọi thứ mà Mô hình Chuẩn có thể giải thích và những điều không thể.
Điều khó hiểu là chúng ta không biết lý thuyết đó trông như thế nào hoặc dự đoán nó có thể làm gì. Vì vậy, không chỉ chúng ta không biết câu trả lời đầy đủ cho cuộc sống, vũ trụ và mọi thứ ở giữa, chúng ta cũng không biết làm thế nào để có được những câu trả lời đó.
Để tìm ra gợi ý về "Một lý thuyết tốt hơn", các nhà nghiên cứu đang tìm kiếm bất kỳ sự không hoàn hảo hoặc dự đoán sai nào về Mô hình chuẩn - một vết nứt trong lý thuyết đó có thể mở ra cánh cửa cho một điều gì đó lớn hơn.
Một trong nhiều dự đoán của Mô hình Chuẩn liên quan đến bản chất của các lepton, đó là các hạt nhỏ, đơn độc như electron hoặc quark. Các lepton được nhóm thành ba lớp, được gọi là các thế hệ hoặc là hương vị tùy thuộc vào nhà vật lý mà bạn yêu cầu. Các hạt có hương vị khác nhau sẽ chia sẻ tất cả các thuộc tính giống nhau ngoại trừ có khối lượng khác nhau. Ví dụ, electron, muon và hạt tau đều có cùng điện tích và spin, nhưng muon vượt trội hơn electron, và tau thậm chí còn hơn thế - chúng có hương vị khác nhau.
Theo Mô hình chuẩn, ba hương vị của electron sẽ hoạt động giống hệt nhau. Các tương tác cơ bản nên tạo ra từng thứ có xác suất bằng nhau; tự nhiên không thể nói lên sự khác biệt giữa chúng, vì vậy nó không thực sự thiên về hương vị này hơn hương vị khác.
Khi nói đến ba hương vị, thiên nhiên có cách tiếp cận Neapolitan: tất cả chúng.
Một kết quả đẹp
Đó là tất cả lý thuyết, mặc dù, và vì vậy nó nên được kiểm tra. Trong nhiều năm, các thí nghiệm khác nhau, giống như những thí nghiệm được thực hiện trong Máy va chạm Hadron lớn tại CERN và cơ sở BaBar, trong đó các hạt cơ bản bị đập vỡ với nhau trong các vụ va chạm lớn. Các hạt kết quả được tạo ra từ những va chạm đó có thể cung cấp manh mối về cách thức tự nhiên hoạt động ở mức độ sâu nhất. Và một số trong những va chạm này đã được thiết kế để xem liệu thiên nhiên có thích một hương vị của lepton hơn những thứ khác không.
Đặc biệt, một loại hạt, được gọi là quark đáy, thực sự thích phân rã thành lepton. Đôi khi nó trở thành một điện tử. Đôi khi là muon. Đôi khi một tau. Nhưng dù thế nào, cả ba hương vị đều có cơ hội xuất hiện như nhau từ đống đổ nát.
Các nhà vật lý đã tích lũy được hàng trăm triệu phân rã quark đáy như vậy và bắt đầu một vài năm trước đây có một điều kỳ lạ xuất hiện trong dữ liệu: Thiên nhiên dường như ủng hộ các hạt tau trong các tương tác này nhiều hơn một chút so với các lepton khác. Tuy nhiên, nó hầu như không có ý nghĩa thống kê, do đó, thật dễ dàng để loại bỏ những kết quả này như một con sán thống kê đơn thuần; có lẽ, chúng ta đã không chạy đủ các vụ va chạm để mọi thứ diễn ra.
Nhưng khi nhiều năm trôi qua, kết quả đã bị bế tắc, như nhà vật lý Antonio Pich, thuộc Đại học Valencia ở Tây Ban Nha, chỉ ra trong một đánh giá về nghiên cứu này được công bố trong cơ sở dữ liệu in sẵn arXiv vào tháng 11. Thiên nhiên trông khá bướng bỉnh khi nói đến sự thiên vị rõ ràng của hạt tau. Kết quả vẫn chưa có kết luận, nhưng sự kiên trì của nó trong nhiều năm và qua các thử nghiệm khác nhau đã tạo nên một người gãi đầu thực sự.
Mô hình không chuẩn
Trong Mô hình Chuẩn, các hương vị khác nhau của lepton có được cảm giác tốt, hương vị của họ thông qua tương tác với boson Higgs: Hương vị càng tương tác với hạt Higgs, khối lượng của nó càng lớn. Nhưng mặt khác, tự nhiên không phân biệt giữa chúng, do đó dự đoán rằng tất cả các hương vị sẽ xuất hiện như nhau trong tất cả các tương tác.
Nhưng nếu những cái gọi là "dị thường hương vị" này thực sự là một đặc điểm thực sự của vũ trụ của chúng ta và không chỉ là một lỗi trong bộ sưu tập dữ liệu, thì chúng ta cần một số cách để giải thích tại sao thiên nhiên nên quan tâm đến hạt tau hơn là electron hay muon. Một khả năng là có thể có nhiều loại boson Higgs bay xung quanh - một loại để cung cấp khối lượng của electron và muon, và một loại khác đặc biệt thích tau, cho phép nó bật ra khỏi các tương tác thường xuyên hơn.
Một khả năng khác là có những hạt phụ nói chuyện với tau - những hạt mà chúng ta chưa từng thấy trong các thí nghiệm. Hoặc có thể có một số đối xứng cơ bản của tự nhiên chỉ bộc lộ qua những tiếng thì thầm của phản ứng lepton - nói cách khác, một lực lượng tự nhiên mới chỉ xuất hiện trong những tương tác hiếm gặp, tối nghĩa này.
Cho đến khi chúng tôi đưa ra bằng chứng (ngay bây giờ, ý nghĩa thống kê của sự khác biệt này là khoảng 3-sigma, đại diện cho 99,3% khả năng kết quả này chỉ là một con sán, trong khi "tiêu chuẩn vàng" cho vật lý hạt là 5-sigma, hoặc 99,97%), chúng tôi không thể biết chắc chắn. Nhưng nếu bằng chứng thắt chặt hơn, chúng ta có thể sử dụng cái nhìn sâu sắc mới này để tìm ra vật lý mới ngoài Mô hình Chuẩn, mở ra khả năng giải thích hiện tại không thể giải thích được, chẳng hạn như vật lý của vũ trụ rất sớm hoặc bất cứ điều gì đang diễn ra với vật chất tối.
