Việc các nhà khoa học tại Trung tâm nghiên cứu hạt nhân châu Âu (CERN) ngày18/11 đã "bẫy" được hàng chục nguyên tử Hydro “phản vật chất,” được đánh giá là sựkiện gây chấn động trong giới khoa học, bước đột phá quan trọng vào một trongnhững lĩnh vực cực kỳ phức tạp của vật lý hạt nhân nhằm tìm hiểu bản chất củavũ trụ.
Theo các nhà khoa học, phản vật chất được xác định là vật chất, song mọi thứtrong nguyên tử của nó đều ngược với nguyên tử vật chất, là vật chất bình thườngđảo ngược.
Trong nguyên tử của vật chất bình thường, hạt nhân proton mang điện tích dương(p+) và các điện tử chuyển động xung quanh hạt nhân mang điện tích âm (e-).Trong nguyên tử phản vật chất thì hoàn toàn ngược lại, phản proton mang điệntích âm (p-) trong khi các phản điện tử lại mang điện tích dương (e+), còn gọilà positron.
Nguyên tử phản vật chất chuyển động với tốc độ cực kỳ lớn gần bằng tốc độ ánhsáng (300.000 Km/S) và lập tức biến mất khi va chạm với nguyên tử vật chất. Vìthế viêc “tóm” được chúng, dù chỉ là một phần nhỏ của một giây đồng hồ, đểnghiên cứu là vấn đề hóc búa đối với các nhà vật lý hạt nhân từ nhiều thập kỷqua.
Thoạt đầu các nhà khoa học tại CERN tạo ra số lượng lớn các nguyên tử hydro phảnvật chất (chọn hydro vì nguyên tử này đơn giản chỉ có một hạt nhân proton và mộtđiện tử e), sau đó đưa chúng vào thiết bị vật lý laser bẫy nguyên tử hydro phảnvật chất (ALPHA).
Để bẫy các phần tử cực kỳ nhỏ bé và khó nắm bắt này, các nhà khoa học tạo ra từtrường cực mạnh và mạnh nhất ở khu vực gần thành “bẫy” để ép các phần tử phảnvật chất vào khoảng chân không hẹp ở trung tâm, đồng thời làm lạnh nhiệt độ củacác hạt phản proton xuống mức 200 độ K trên độ O tuyệt đối (-73,15 C) nhằm làmchậm tốc độ chuyển động của chúng.
Mục đích của các nhà khoa học là giữ các nguyên tử phản vật chất này trong bẫy,tránh va chạm với các nguyên tử vật chất để chúng khỏi biến mất. Tuy nhiên, họcũng chỉ giữ được một số phần tử này trong thời gian rất ngắn ngủi.
Các hạt phản proton này và các hạt proton vật chất bình thường lập tức va chạm,thủ tiêu lẫn nhau và cùng biến mất, đồng thời giải phóng năng lượng dưới dạngbức xạ pion.
Các nhà nghiên cứu dùng các thiết bị theo dõi các hạt phản protontừ khi hình thành tới lúc va chạm hạt proton vật chất và biến mất phát ra cácphần tử pion. Sau đó họ dùng máy tính thiết lập các đường nối các điểm này vớinhau để lần ngược trở lại dấu vết của hạt phản proton.
Nhóm nhà khoa học tại CERN đã làm tới 335 lần thí nghiệm, mỗi lần sử dụng tớihàng chục nghìn hạt phản proton song cũng chỉ “tóm” được tổng cộng 38 hạt phảnproton. Nghĩa là trung bình 10 lần thí nghiệm mới nhìn thấy 1 nguyên tử phản vậtchất trong khoảng thời gian ngắn ngủi 1/10 giây. Mặc dù vậy, đây được coi làbước tiến đột phá mà các nhà khoa học tại CERN phải mất 5 năm mới có được.
Giáo sư Jeffrey Hangst, một trong những người tham gia thí nghiệm cho biết việc"bẫy" được các nguyên tử phản vật chất khó hơn gấp 10.000 lần việc tạo được rachúng.
Sau thành công này, các nhà khoa học hy vọng sẽ hoàn thiện các thử nghiệm và“giữ” được các phản hạt cực kỳ khó nắm bắt này lâu hơn để đo kích thước cũng nhưnghiên cứu cấu tạo của chúng. Họ cũng hy vọng sẽ tạo được ra dòng các hạt phảnvật chất để làm các thí nghiệm khám phá bản chất của chúng.
Khái niệm về phản vật chất được nhà vật lý người Anh Paul Dirac đưa ra năm 1928trong khi tìm cách thống nhất giữa các định luật của Lý thuyết lượng tử với Lýthuyết tương đối rộng của nhà bác học thiên tài Einstein.
Bằng những thuật toán phức tạp ông đã liên kết được hai lý thuyết khác hẳn nhaunày và giải thích được hoạt động của các phần tử cực kỳ nhỏ và chuyển động vớivận tốc gân bằng vận tốc ánh sáng như electron.
Bằng phương pháp toán học, ông xác định được rằng không chỉ tồn tại electronmang điện tích âm, mà tồn tại cả electron mang điện tích dương (positron) - mộtkết quả bất ngờ không hề được dự tính trước.
Theo tính toán của Dirac, mọi phần tử trong nguyên tử vật chất đều có “người anhem sinh đôi quái quỷ” phản vật chất, mọi loại hạt đều có phản hạt mang điệntích trái dấu. Ví như trong nguyên tử có proton, neutron, electron cấu tạo nênnguyên tử vật chất thì trong nguyên tử phản vật chất có phản proton, phảnneutron và phản electron.
Nhà toán học kỳ dị này còn đi xa hơn khi cho rằng thậm chí còn tồn tại cả một vũtrụ - ảnh chiếu vũ trụ của chúng ta được cấu tạo bởi toàn phản vật chất.
Sau tiên đoán của Dirac, năm 1932, nhà vật lý học Carl Anderson đã chứng minhbằng thực nghiệm sự tồn tại của phản vật chất. Với những cống hiến này, cả haiông đã được nhận giải thưởng Nobel.
Các nghiên cứu tiếp theo đã dẫn tới các phát hiện hết sức kinh ngạc: Phản vậtchất và vật chất bùng nổ khi gặp nhau giải phóng ra năng lượng. Do khi triệttiêu lẫn nhau, chúng tạo ra bức xạ nên các nhà khoa học có thể sử dụng các côngcụ để đo "tàn dư” của các vụ va chạm như vậy.
Hiện chưa có thực nghiệm nào có thể phát hiện các phản thiên hà hoặc các thựcthể khổng lồ phản vật chất trong vũ trụ như Dirac đã hình dung.
Theo các nhà khoa học, về lý thuyết ở thời điểm xảy ra “vụ nổ lớn” (Big Bang)cách đây khoảng 14-15 tỷ năm sinh ra vũ trụ, vật chất và phản vật chất tồn tạivới khối lượng như nhau. Khi được phun ra từ “vạc dầu vũ trụ” với nhiệt độ caokhông thể tưởng tượng được, vật chất và phản vật chất được vật chất hóa và liêntục va chạm, thủ tiêu lẫn nhau tạo ra bức xạ vũ trụ nền.
Tuy nhiên, trong một phần triệu nào đó của một giây, vật chất bằng cách nào đóđã chiếm ưu thế. Nghĩa là, nếu cứ có 1 tỷ phần tử phản vật chất được tạo ra thìcó 1 tỷ + 1 phần tử vật chất được hình thành. Kết quả là hầu như toàn bộ phảnvật chất bị tiêu hủy, chỉ còn lại rất ít. Trong vũ trụ quan sát được hiện naychỉ còn lại toàn vật chất.
Trả lời câu hỏi tại sao lại có sự mất cân bằng khổng lồ như vậy là một trongthách thức lớn nhất đối với khoa học. Người ta cho rằng, việc nghiên cứu bí ẩncủa phản vật chất có thể dẫn tới những phát hiện kỳ lạ về vũ trụ và tự nhiên màhiện nay con người không thể hình dung nổi.
Trong tự nhiên, hiện con người chỉ phát hiện thấy phản vật chất trong các tia vũtrụ - các phần tử năng lượng cao đến từ ngoài Trái Đất. Khi xâm nhập bầu khíquyển Trái Đất, chúng va chạm các phần tử vật chất và tạo ra các phần tử mới.
Xét về lý thuyết, vài trăm gram phản vật chất chứa một năng lượng phá hủy mạnhhơn cả một quả bom tổng hợp nhiệt hạch (bom H) mạnh nhất. Song để sản xuất phảnvật chất tạo ra năng lượng sẽ rất tốn kém. Với khả năng khoa học hiện nay, đểtạo ra vài trăm gram phản vật chất sẽ tốn tới 100 tỷ USD. Bởi vậy, việc chế tạocác con tàu vũ trụ khổng lồ du hành giữa các vì sao như starship Enterprisetrong loạt phim phim khoa học viễn tưởng "Star Trek" hoặc chế tạo bom phản vậtchất trong phim “Thiên thần và quỹ dữ” (Angels & Demons) là rất xa vời thực tế./.
Phạm Thảo/New Delhi (Vietnam+)