Các nhà khoa học say sưa khám phá những bí ẩn, và bí ẩn càng lớn, sự nhiệt tình càng lớn. Có rất nhiều câu hỏi chưa được trả lời trong khoa học, nhưng khi bạn trở nên vĩ đại, thật khó để đánh bại "Tại sao lại có thứ gì đó, thay vì không có gì?"
Đó có vẻ như là một câu hỏi triết học, nhưng đó là một câu hỏi rất phù hợp với yêu cầu khoa học. Nói một cách cụ thể hơn một chút, "Tại sao vũ trụ được tạo ra từ các loại vật chất làm cho cuộc sống của con người có thể để chúng ta thậm chí có thể hỏi câu hỏi này?" Các nhà khoa học tiến hành nghiên cứu tại Nhật Bản đã công bố một phép đo vào tháng trước, trực tiếp giải quyết những câu hỏi hấp dẫn nhất. Dường như phép đo của họ không đồng ý với những kỳ vọng đơn giản nhất của lý thuyết hiện tại và cũng có thể hướng đến một câu trả lời cho câu hỏi vượt thời gian này.
Phép đo của họ dường như nói rằng đối với một tập hợp các hạt hạ nguyên tử cụ thể, vật chất và phản vật chất hoạt động khác nhau.
Vật chất v. Phản vật chất
Sử dụng máy gia tốc J-PARC, đặt tại Tokai, Nhật Bản, các nhà khoa học đã bắn ra một chùm các hạt hạ nguyên tử ma quái gọi là neutrino và các đối tác phản vật chất của chúng (antineutrino) qua Trái đất cho thí nghiệm Super Kamiokande, ở Kamioka, cũng ở Nhật Bản. Thí nghiệm này, được gọi là T2K (Tokai to Kamiokande), được thiết kế để xác định lý do tại sao vũ trụ của chúng ta được tạo ra từ vật chất. Một hành vi kỳ dị được thể hiện bởi neutrino, được gọi là dao động neutrino, có thể làm sáng tỏ vấn đề rất bực tức này.
Hỏi lý do tại sao vũ trụ được tạo thành từ vật chất nghe có vẻ giống như một câu hỏi kỳ dị, nhưng có một lý do rất chính đáng mà các nhà khoa học ngạc nhiên về điều này. Đó là bởi vì, ngoài việc biết về sự tồn tại của vật chất, các nhà khoa học còn biết đến phản vật chất.
Năm 1928, nhà vật lý người Anh Paul Dirac đã đề xuất sự tồn tại của phản vật chất - một anh chị em đối kháng của vật chất. Kết hợp một lượng vật chất và phản vật chất bằng nhau và hai chất hủy lẫn nhau, dẫn đến việc giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ. Và, bởi vì các nguyên lý vật lý thường hoạt động tốt như nhau theo chiều ngược lại, nếu bạn có một lượng năng lượng phi thường, nó có thể chuyển đổi thành lượng vật chất và phản vật chất chính xác như nhau. Phản vật chất được phát hiện vào năm 1932 bởi Carl Anderson người Mỹ và các nhà nghiên cứu đã có gần một thế kỷ để nghiên cứu tính chất của nó.
Tuy nhiên, cụm từ "thành số lượng chính xác bằng nhau" là mấu chốt của câu hỏi hóc búa. Trong những khoảnh khắc ngắn ngủi ngay sau Vụ nổ lớn, vũ trụ tràn đầy năng lượng. Khi nó mở rộng và làm mát, năng lượng đó đã chuyển đổi thành các phần vật chất bằng nhau và các hạt hạ nguyên tử phản vật chất, có thể quan sát được ngày hôm nay. Nhưng vũ trụ của chúng ta bao gồm chủ yếu hoàn toàn là vật chất. Làm thế nào mà có thể được?
Bằng cách đếm số lượng nguyên tử trong vũ trụ và so sánh với lượng năng lượng chúng ta thấy, các nhà khoa học xác định rằng "chính xác bằng nhau" không hoàn toàn đúng. Bằng cách nào đó, khi vũ trụ chỉ bằng một phần mười nghìn tỷ của một giây thứ hai, các quy luật tự nhiên đã sai lệch từng chút một theo hướng vật chất. Cứ 3.000.000.000 hạt phản vật chất, có 3.000.000.001 hạt vật chất. 3 tỷ hạt vật chất và 3 tỷ hạt phản vật chất kết hợp với nhau - và bị tiêu diệt trở lại thành năng lượng, để lại lượng vật chất dư thừa nhỏ để tạo nên vũ trụ mà chúng ta thấy ngày nay.
Vì câu đố này đã được hiểu cách đây gần một thế kỷ, các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu vật chất và phản vật chất để xem liệu họ có thể tìm thấy hành vi trong các hạt hạ nguyên tử sẽ giải thích sự dư thừa của vật chất hay không. Họ tự tin rằng vật chất và phản vật chất được tạo ra với số lượng bằng nhau, nhưng họ cũng đã quan sát thấy rằng một lớp các hạt hạ nguyên tử được gọi là quark thể hiện các hành vi hơi thiên về vật chất hơn phản vật chất. Phép đo đặc biệt đó rất tinh tế, liên quan đến một loại hạt gọi là K meson có thể chuyển đổi từ vật chất thành phản vật chất và trở lại. Nhưng có một sự khác biệt nhỏ trong vật chất chuyển thành phản vật chất so với ngược lại. Hiện tượng này thật bất ngờ và phát hiện của nó đã dẫn đến giải thưởng Nobel năm 1980, nhưng mức độ ảnh hưởng không đủ để giải thích tại sao vật chất thống trị trong vũ trụ của chúng ta.
Dầm ma
Do đó, các nhà khoa học đã chuyển sự chú ý của họ sang neutrino, để xem liệu hành vi của họ có thể giải thích được vật chất dư thừa hay không. Neutrino là những bóng ma của thế giới hạ nguyên tử. Chỉ tương tác thông qua lực hạt nhân yếu, chúng có thể xuyên qua vật chất mà không cần tương tác gần như cả. Để cho một cảm giác về quy mô, neutrino được tạo ra phổ biến nhất trong các phản ứng hạt nhân và lò phản ứng hạt nhân lớn nhất xung quanh là Mặt trời. Để che chắn bản thân khỏi một nửa số neutrino mặt trời sẽ cần một khối lượng chì rắn sâu khoảng 5 năm ánh sáng. Neutrino thực sự không tương tác nhiều.
Giữa năm 1998 và 2001, một loạt các thí nghiệm - một thí nghiệm sử dụng máy dò Super Kamiokande và một thí nghiệm khác sử dụng máy dò SNO ở Sudbury, Ontario - đã chứng minh chắc chắn rằng neutrino cũng thể hiện một hành vi đáng ngạc nhiên khác. Họ thay đổi danh tính của họ.
Các nhà vật lý biết về ba loại neutrino riêng biệt, mỗi loại liên kết với một anh chị em hạ nguyên tử duy nhất, được gọi là electron, muon và taus. Electron là nguyên nhân gây ra điện và hạt muon và tau rất giống electron, nhưng nặng hơn và không ổn định.
Ba loại neutrino, được gọi là neutrino electron, muon neutrino và tau neutrino, có thể "biến hình" thành các loại neutrino khác và trở lại. Hành vi này được gọi là dao động neutrino.
Dao động neutrino là một hiện tượng lượng tử duy nhất, nhưng nó gần giống với bắt đầu với một bát kem vani và sau khi bạn đi tìm một cái muỗng, bạn quay lại và thấy rằng bát là một nửa vani và một nửa sô cô la. Neutrino thay đổi danh tính của họ từ hoàn toàn một loại, sang hỗn hợp các loại, sang một loại hoàn toàn khác, và sau đó trở lại loại ban đầu.
Dao động antineutrino
Neutrino là các hạt vật chất, nhưng neutrino phản vật chất, được gọi là antineutrino, cũng tồn tại. Và điều đó dẫn đến một câu hỏi rất quan trọng. Neutrino dao động, nhưng phản neutrino cũng dao động và chúng có dao động giống hệt như neutrino không? Câu trả lời cho câu hỏi đầu tiên là có, trong khi câu trả lời cho câu hỏi thứ hai không được biết.
Chúng ta hãy xem xét điều này đầy đủ hơn một chút, nhưng theo một cách đơn giản: Giả sử rằng chỉ có hai loại neutrino - muon và electron. Giả sử thêm rằng bạn có một chùm neutrino hoàn toàn muon. Neutrino dao động ở một tốc độ cụ thể và, vì chúng di chuyển gần tốc độ ánh sáng, chúng dao động như một hàm của khoảng cách từ nơi chúng được tạo ra. Do đó, một chùm neutrino muon tinh khiết sẽ trông giống như một hỗn hợp các loại muon và electron ở một khoảng cách nào đó, sau đó hoàn toàn là các loại electron ở một khoảng cách khác và sau đó trở lại chỉ có muon. Neutrino phản vật chất làm điều tương tự.
Tuy nhiên, nếu neutrino vật chất và phản vật chất dao động với tốc độ hơi khác nhau, bạn sẽ mong đợi rằng nếu bạn ở một khoảng cách cố định từ điểm mà một chùm neutrino muon hoặc antonutrino muon được tạo ra, thì trong trường hợp neutrino bạn sẽ thấy một sự pha trộn giữa muon và neutrino electron, nhưng trong trường hợp neutrino phản vật chất, bạn sẽ thấy một sự pha trộn khác nhau giữa muon phản vật chất và neutrino electron. Tình hình thực tế rất phức tạp bởi thực tế là có ba loại neutrino và sự dao động phụ thuộc vào năng lượng chùm tia, nhưng đây là những ý tưởng lớn.
Việc quan sát các tần số dao động khác nhau của neutrino và phản neutrino sẽ là một bước quan trọng để hiểu được thực tế rằng vũ trụ được tạo thành từ vật chất. Đó không phải là toàn bộ câu chuyện, bởi vì các hiện tượng mới bổ sung cũng phải nắm giữ, nhưng sự khác biệt giữa các neutrino vật chất và phản vật chất là cần thiết để giải thích tại sao có nhiều vật chất hơn trong vũ trụ.
Trong lý thuyết phổ biến hiện nay mô tả các tương tác neutrino, có một biến số nhạy cảm với khả năng neutrino và antineutrino dao động khác nhau. Nếu biến đó bằng 0, hai loại hạt dao động với tốc độ giống nhau; nếu biến đó khác 0, hai loại hạt dao động khác nhau.
Khi T2K đo biến này, họ thấy nó không phù hợp với giả thuyết rằng neutrino và phản neutrino dao động giống hệt nhau. Về mặt kỹ thuật hơn một chút, họ đã xác định một loạt các giá trị có thể cho biến này. Có 95% khả năng giá trị thực cho biến đó nằm trong phạm vi đó và chỉ có 5% khả năng biến thực nằm ngoài phạm vi đó. Giả thuyết "không khác biệt" nằm ngoài phạm vi 95%.
Nói một cách đơn giản hơn, phép đo hiện tại cho thấy neutrino và neutrino phản vật chất dao động khác nhau, mặc dù độ chắc chắn không tăng lên đến mức để đưa ra yêu sách dứt khoát. Trong thực tế, các nhà phê bình chỉ ra rằng các phép đo với mức ý nghĩa thống kê này nên được xem rất, rất hoài nghi. Nhưng nó chắc chắn là một kết quả ban đầu rất khiêu khích và cộng đồng khoa học thế giới cực kỳ thích thú khi thấy những nghiên cứu được cải thiện và chính xác hơn.
Thử nghiệm T2K sẽ tiếp tục ghi lại dữ liệu bổ sung với hy vọng thực hiện phép đo dứt khoát, nhưng đây không phải là trò chơi duy nhất trong thị trấn. Tại Fermilab, nằm bên ngoài Chicago, một thí nghiệm tương tự có tên NOVA đang bắn cả neutrino và neutrino phản vật chất đến phía bắc bang Minnesota, với hy vọng đánh bại được T2K. Và, nhìn về tương lai nhiều hơn, Fermilab đang làm việc chăm chỉ về thí nghiệm hàng đầu của nó, được gọi là DUNE (Thí nghiệm sâu về neutrino sâu), sẽ có khả năng vượt trội để nghiên cứu hiện tượng quan trọng này.
Mặc dù kết quả T2K không dứt khoát và thận trọng được bảo hành, nhưng nó chắc chắn là trêu ngươi. Với sự khổng lồ của câu hỏi tại sao vũ trụ của chúng ta dường như không có phản vật chất đáng chú ý, cộng đồng khoa học thế giới sẽ sẵn sàng chờ đợi những cập nhật tiếp theo.
