Việc các nhà khoa học tại Trung tâm nghiên cứu hạt nhân châu Âu (CERN) ngày 18/11 đã "bẫy" được hàng chục nguyên tử Hydro “phản vật chất,” được đánh giá là sự kiện gây chấn động trong giới khoa học, bước đột phá quan trọng vào một trong những lĩnh vực cực kỳ phức tạp của vật lý hạt nhân nhằm tìm hiểu bản chất của vũ trụ.
Theo các nhà khoa học, phản vật chất được xác định là vật chất, song mọi thứ trong nguyên tử của nó đều ngược với nguyên tử vật chất, là vật chất bình thường đảo 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 điện tích âm (p-) trong khi các phản điện tử lại mang điện tích dương (e+), còn gọi là positron.
Nguyên tử phản vật chất chuyển động với tốc độ cực kỳ lớn gần bằng tốc độ ánh sáng (300.000 Km/S) và lập tức biến mất khi va chạm với nguyên tử vật chất. Vì thế viêc “tóm” được chúng, dù chỉ là một phần nhỏ của một giây đồng hồ, để nghiên cứu là vấn đề hóc búa đối với các nhà vật lý hạt nhân từ nhiều thập kỷ qua.
Thoạt đầu các nhà khoa học tại CERN tạo ra số lượng lớn các nguyên tử hydro phản vật chất (chọn hydro vì nguyên tử này đơn giản chỉ có một hạt nhân proton và một điện tử e), sau đó đưa chúng vào thiết bị vật lý laser bẫy nguyên tử hydro phản vật chất (ALPHA).
Để bẫy các phần tử cực kỳ nhỏ bé và khó nắm bắt này, các nhà khoa học tạo ra từ trường cực mạnh và mạnh nhất ở khu vực gần thành “bẫy” để ép các phần tử phản vật chất vào khoảng chân không hẹp ở trung tâm, đồng thời làm lạnh nhiệt độ của các hạt phản proton xuống mức 200 độ K trên độ O tuyệt đối (-73,15 C) nhằm làm chậm 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, họ cũng 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 dạng bức xạ pion.
Các nhà nghiên cứu dùng các thiết bị theo dõi các hạt phản proton từ khi hình thành tới lúc va chạm hạt proton vật chất và biến mất phát ra các phần tử pion. Sau đó họ dùng máy tính thiết lập các đường nối các điểm này với nhau 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 tới hàng chục nghìn hạt phản proton song cũng chỉ “tóm” được tổng cộng 38 hạt phản proton. Nghĩa là trung bình 10 lần thí nghiệm mới nhìn thấy 1 nguyên tử phản vật chất trong khoảng thời gian ngắn ngủi 1/10 giây. Mặc dù vậy, đây được coi là bước 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 ra chúng.
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 như nghiên cứu cấu tạo của chúng. Họ cũng hy vọng sẽ tạo được ra dòng các hạt phản vật 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 1928 trong khi tìm cách thống nhất giữa các định luật của Lý thuyết lượng tử với Lý thuyết 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 nhau này và giải thích được hoạt động của các phần tử cực kỳ nhỏ và chuyển động với vận tốc gân bằng vận tốc ánh sáng như electron.
Bằng phương pháp toán học, ông xác định được rằng không chỉ tồn tại electron mang điện tích âm, mà tồn tại cả electron mang điện tích dương (positron) - một kết 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 anh em sinh đôi quái quỷ” phản vật chất, mọi loại hạt đều có phản hạt mang điện tích trái dấu. Ví như trong nguyên tử có proton, neutron, electron cấu tạo nên nguyên tử vật chất thì trong nguyên tử phản vật chất có phản proton, phản neutron và phản electron.
Nhà toán học kỳ dị này còn đi xa hơn khi cho rằng thậm chí còn tồn tại cả một vũ trụ - 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 minh bằng thực nghiệm sự tồn tại của phản vật chất. Với những cống hiến này, cả hai ông đã được nhận giải thưởng Nobel.
Các nghiên cứu tiếp theo đã dẫn tới các phát hiện hết sức kinh ngạc: Phản vật chất và vật chất bùng nổ khi gặp nhau giải phóng ra năng lượng. Do khi triệt tiêu lẫn nhau, chúng tạo ra bức xạ nên các nhà khoa học có thể sử dụng các công cụ 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 thực thể 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 tại với khối lượng như nhau. Khi được phun ra từ “vạc dầu vũ trụ” với nhiệt độ cao không thể tưởng tượng được, vật chất và phản vật chất được vật chất hóa và liên tục 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 đó đã chiếm ưu thế. Nghĩa là, nếu cứ có 1 tỷ phần tử phản vật chất được tạo ra thì có 1 tỷ + 1 phần tử vật chất được hình thành. Kết quả là hầu như toàn bộ phản vật chất bị tiêu hủy, chỉ còn lại rất ít. Trong vũ trụ quan sát được hiện nay chỉ còn lại toàn vật chất.
Trả lời câu hỏi tại sao lại có sự mất cân bằng khổng lồ như vậy là một trong thách thức lớn nhất đối với khoa học. Người ta cho rằng, việc nghiên cứu bí ẩn của phản vật chất có thể dẫn tới những phát hiện kỳ lạ về vũ trụ và tự nhiên mà hiện nay con người không thể hình dung nổi.
Trong tự nhiên, hiện con người chỉ phát hiện thấy phản vật chất trong các tia vũ trụ - các phần tử năng lượng cao đến từ ngoài Trái Đất. Khi xâm nhập bầu khí quyển 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 mạnh hơn cả một quả bom tổng hợp nhiệt hạch (bom H) mạnh nhất. Song để sản xuất phản vật chất tạo ra năng lượng sẽ rất tốn kém. Với khả năng khoa học hiện nay, để tạo ra vài trăm gram phản vật chất sẽ tốn tới 100 tỷ USD. Bởi vậy, việc chế tạo các con tàu vũ trụ khổng lồ du hành giữa các vì sao như starship Enterprise trong loạt phim phim khoa học viễn tưởng "Star Trek" hoặc chế tạo bom phản vật chất trong phim “Thiên thần và quỹ dữ” (Angels & Demons) là rất xa vời thực tế. /.
Theo các nhà khoa học, phản vật chất được xác định là vật chất, song mọi thứ trong nguyên tử của nó đều ngược với nguyên tử vật chất, là vật chất bình thường đảo 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 điện tích âm (p-) trong khi các phản điện tử lại mang điện tích dương (e+), còn gọi là positron.
Nguyên tử phản vật chất chuyển động với tốc độ cực kỳ lớn gần bằng tốc độ ánh sáng (300.000 Km/S) và lập tức biến mất khi va chạm với nguyên tử vật chất. Vì thế viêc “tóm” được chúng, dù chỉ là một phần nhỏ của một giây đồng hồ, để nghiên cứu là vấn đề hóc búa đối với các nhà vật lý hạt nhân từ nhiều thập kỷ qua.
Thoạt đầu các nhà khoa học tại CERN tạo ra số lượng lớn các nguyên tử hydro phản vật chất (chọn hydro vì nguyên tử này đơn giản chỉ có một hạt nhân proton và một điện tử e), sau đó đưa chúng vào thiết bị vật lý laser bẫy nguyên tử hydro phản vật chất (ALPHA).
Để bẫy các phần tử cực kỳ nhỏ bé và khó nắm bắt này, các nhà khoa học tạo ra từ trường cực mạnh và mạnh nhất ở khu vực gần thành “bẫy” để ép các phần tử phản vật chất vào khoảng chân không hẹp ở trung tâm, đồng thời làm lạnh nhiệt độ của các hạt phản proton xuống mức 200 độ K trên độ O tuyệt đối (-73,15 C) nhằm làm chậm 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, họ cũng 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 dạng bức xạ pion.
Các nhà nghiên cứu dùng các thiết bị theo dõi các hạt phản proton từ khi hình thành tới lúc va chạm hạt proton vật chất và biến mất phát ra các phần tử pion. Sau đó họ dùng máy tính thiết lập các đường nối các điểm này với nhau 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 tới hàng chục nghìn hạt phản proton song cũng chỉ “tóm” được tổng cộng 38 hạt phản proton. Nghĩa là trung bình 10 lần thí nghiệm mới nhìn thấy 1 nguyên tử phản vật chất trong khoảng thời gian ngắn ngủi 1/10 giây. Mặc dù vậy, đây được coi là bước 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 ra chúng.
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 như nghiên cứu cấu tạo của chúng. Họ cũng hy vọng sẽ tạo được ra dòng các hạt phản vật 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 1928 trong khi tìm cách thống nhất giữa các định luật của Lý thuyết lượng tử với Lý thuyết 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 nhau này và giải thích được hoạt động của các phần tử cực kỳ nhỏ và chuyển động với vận tốc gân bằng vận tốc ánh sáng như electron.
Bằng phương pháp toán học, ông xác định được rằng không chỉ tồn tại electron mang điện tích âm, mà tồn tại cả electron mang điện tích dương (positron) - một kết 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 anh em sinh đôi quái quỷ” phản vật chất, mọi loại hạt đều có phản hạt mang điện tích trái dấu. Ví như trong nguyên tử có proton, neutron, electron cấu tạo nên nguyên tử vật chất thì trong nguyên tử phản vật chất có phản proton, phản neutron và phản electron.
Nhà toán học kỳ dị này còn đi xa hơn khi cho rằng thậm chí còn tồn tại cả một vũ trụ - 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 minh bằng thực nghiệm sự tồn tại của phản vật chất. Với những cống hiến này, cả hai ông đã được nhận giải thưởng Nobel.
Các nghiên cứu tiếp theo đã dẫn tới các phát hiện hết sức kinh ngạc: Phản vật chất và vật chất bùng nổ khi gặp nhau giải phóng ra năng lượng. Do khi triệt tiêu lẫn nhau, chúng tạo ra bức xạ nên các nhà khoa học có thể sử dụng các công cụ 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 thực thể 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 tại với khối lượng như nhau. Khi được phun ra từ “vạc dầu vũ trụ” với nhiệt độ cao không thể tưởng tượng được, vật chất và phản vật chất được vật chất hóa và liên tục 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 đó đã chiếm ưu thế. Nghĩa là, nếu cứ có 1 tỷ phần tử phản vật chất được tạo ra thì có 1 tỷ + 1 phần tử vật chất được hình thành. Kết quả là hầu như toàn bộ phản vật chất bị tiêu hủy, chỉ còn lại rất ít. Trong vũ trụ quan sát được hiện nay chỉ còn lại toàn vật chất.
Trả lời câu hỏi tại sao lại có sự mất cân bằng khổng lồ như vậy là một trong thách thức lớn nhất đối với khoa học. Người ta cho rằng, việc nghiên cứu bí ẩn của phản vật chất có thể dẫn tới những phát hiện kỳ lạ về vũ trụ và tự nhiên mà hiện nay con người không thể hình dung nổi.
Trong tự nhiên, hiện con người chỉ phát hiện thấy phản vật chất trong các tia vũ trụ - các phần tử năng lượng cao đến từ ngoài Trái Đất. Khi xâm nhập bầu khí quyển 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 mạnh hơn cả một quả bom tổng hợp nhiệt hạch (bom H) mạnh nhất. Song để sản xuất phản vật chất tạo ra năng lượng sẽ rất tốn kém. Với khả năng khoa học hiện nay, để tạo ra vài trăm gram phản vật chất sẽ tốn tới 100 tỷ USD. Bởi vậy, việc chế tạo các con tàu vũ trụ khổng lồ du hành giữa các vì sao như starship Enterprise trong loạt phim phim khoa học viễn tưởng "Star Trek" hoặc chế tạo bom phản vật chất trong phim “Thiên thần và quỹ dữ” (Angels & Demons) là rất xa vời thực tế. /.
Phạm Thảo/New Delhi (Vietnam+)
