Các nhà khoa học giữ một hạt phản vật chất trong nhiều tháng để nghiên cứu bí mật của nó

Phản vật chất vốn nổi tiếng là thứ cực khó nắm giữ, và đó cũng là lý do khiến những hạt này vẫn còn là ẩn số đối với giới khoa học. Mới đây, một nhóm nhà vật lý tại Đại học Northwestern (Mỹ) đã thành công trong việc giam giữ một hạt phản vật chất trong nhiều tháng, nhờ làm lạnh nó xuống gần độ không tuyệt đối để kiểm soát các trạng thái lượng tử với độ chính xác cao mà không cần chạm trực tiếp vào hạt.

Vì sao phản vật chất lại khó nắm bắt đến vậy?

Theo lý thuyết, phản vật chất đáng lẽ phải xuất hiện ở khắp nơi. Các phương trình toán học dự đoán rằng mỗi hạt vật chất đều có một phản hạt tương ứng — điều mà các nhà khoa học đã kiểm chứng bằng thực nghiệm. Vũ trụ vì thế lẽ ra phải chứa lượng vật chất và phản vật chất tương đương nhau. Tuy nhiên, gần như mọi thứ chúng ta quan sát được đều cấu thành từ vật chất thường, và đến nay chúng ta vẫn chưa hiểu vì sao.

Con người có thể tạo ra các hạt phản vật chất trong phòng thí nghiệm, nhưng nghiên cứu chúng vẫn là bài toán vô cùng hóc búa. Khi một phản hạt tiếp xúc với vật chất thường, cả hai sẽ triệt tiêu lẫn nhau và giải phóng năng lượng. Để tránh nguy cơ nổ tung các cơ sở nghiên cứu, các nhà khoa học sử dụng buồng chân không cùng trường điện từ để giữ phản hạt lơ lửng trong trạng thái cô lập. Thế nhưng cách làm này mới chỉ giải quyết được một phần vấn đề, bởi việc nghiên cứu các hạt này — đặc biệt là thử nghiệm hành vi của chúng ở quy mô lượng tử — vẫn rất khó khăn.

Chiếc bẫy lượng tử dành cho một positron

Trong thí nghiệm lần này, nhóm nghiên cứu tại Northwestern đã giam giữ một positron, tức phản hạt của electron. Nhóm do Gerald Gabrielse dẫn đầu đã phát triển một thiết bị gọi là xyclotron lượng tử đơn positron, sử dụng điện trường và từ trường để giữ positron trong chân không ở nhiệt độ gần độ không tuyệt đối.

Ở điều kiện đó, hạt phản vật chất nằm ở trạng thái năng lượng thấp nhất, cho phép các nhà nghiên cứu tạo ra những thay đổi có kiểm soát trong hành vi lượng tử của nó mà không phá hủy hạt.

Khác với nhiều phương pháp khác trong vật lý hạt, cách tiếp cận này không tiêu diệt hạt. Nhờ vậy, nhóm nghiên cứu có thể giữ phản hạt duy nhất đó trong bẫy suốt nhiều tháng và lặp lại các phép đo.

Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí Physical Review Letters, đánh dấu một bước đột phá trong nỗ lực hiểu rõ hơn về một trong những bí ẩn lớn của vật lý.

Thuần hóa phản vật chất để học được gì?

Giới khoa học biết rằng vật chất và phản vật chất có những tính chất rất giống nhau. Chẳng hạn, một electron và một positron có khối lượng hoàn toàn bằng nhau, dù điện tích của chúng trái dấu. Tuy vậy, vẫn còn những câu hỏi về mức độ tương đồng thực sự giữa hai dạng vật chất này, cũng như liệu có tồn tại những khác biệt nhỏ mà các thí nghiệm trước đây chưa phát hiện ra hay không.

Vì lẽ đó, các nhà nghiên cứu muốn so sánh tính chất từ của hai loại hạt. Giới vật lý đã thực hiện những phép đo cực kỳ chính xác với electron, nhưng đạt được độ chính xác tương đương với positron lại khó hơn nhiều. Theo Hội Vật lý Hoa Kỳ (American Physical Society), thiết bị mới có thể giúp các phép đo trên phản vật chất đạt độ chính xác cao gấp khoảng 30 lần so với trước đây.

Cho đến nay, thí nghiệm chưa phát hiện khác biệt bất ngờ nào giữa hai loại hạt. Thành quả mà nhóm nghiên cứu đạt được là nâng cao khả năng phát hiện những khác biệt đó ở phản vật chất.

Ý nghĩa đối với giới nghiên cứu

Nếu các phép đo trong tương lai cho thấy positron phản ứng với từ trường theo cách khác electron, giới khoa học sẽ buộc phải xem xét lại một số định luật đang được dùng để giải thích hành vi của vật chất và phản vật chất. Đây không chỉ là câu chuyện học thuật: hiểu rõ vì sao vũ trụ nghiêng hẳn về vật chất thay vì cân bằng với phản vật chất có thể mở ra những hiểu biết mới về nguồn gốc và tiến hóa của vũ trụ.

Với cộng đồng nghiên cứu công nghệ và khoa học cơ bản, thành tựu này cũng cho thấy giá trị của những tiến bộ trong kỹ thuật điều khiển và đo lường chính xác — nền tảng mà nhiều lĩnh vực công nghệ hiện đại, từ máy tính lượng tử đến cảm biến siêu nhạy, đều đang dựa vào.