Bí ẩn 10 năm về kích thước proton chính thức khép lại

Proton nhỏ hơn chúng ta từng nghĩ

Kết quả đo cho thấy bán kính proton là khoảng 0,84 femtometer, tức chưa đến một phần triệu tỷ mét. Con số này thấp hơn giá trị được chấp nhận trước đây là 0,876 femtometer và trùng khớp với các phép đo gần đây cho thấy proton nhỏ hơn so với ước tính ban đầu của giới khoa học.

Sự chênh lệch tưởng chừng vô nghĩa đó lại là tâm điểm của một trong những cuộc tranh luận gay gắt nhất trong vật lý hạt nhân suốt mười năm qua.

Bài toán bán kính proton từng khiến vật lý học chao đảo

Câu hỏi đặt ra là tại sao các phương pháp đo khác nhau lại cho kết quả khác nhau về cùng một hạt vật chất. Trong nhiều năm, các nhà vật lý thu được một giá trị khi đo nguyên tử hydro bằng electron. Nhưng khi dùng hạt muon (hạt nặng họ hàng với electron), tức những hạt anh em nặng hơn của electron, kết quả lại nhất quán chỉ về một proton nhỏ hơn. Sự bất đồng này châm ngòi cho giả thuyết rằng một lực hoặc hạt chưa biết nào đó đang tác động lén lút vào kết quả thí nghiệm.

Nếu điều đó đúng, toàn bộ Mô hình Chuẩn, khung lý thuyết mô tả cách các hạt cơ bản tương tác với nhau, sẽ phải viết lại.

Phép đo mới bác bỏ kịch bản đó. Kết quả nhất quán với các dự đoán từ Mô hình Chuẩn và loại trừ khả năng một lực hoặc hạt chưa biết nào chịu trách nhiệm cho sự bất đồng trước đây.

Dylan Yost, Phó giáo sư tại Khoa Vật lý của Đại học Colorado State, phát biểu rằng "Thí nghiệm của chúng tôi cho thấy sự đồng thuận chính xác với lý thuyết về kích thước proton ở mức độ chính xác phần nghìn tỷ, loại trừ khả năng một lực hoặc hạt mới chịu trách nhiệm cho sự bất đồng trong trường hợp này." Ông nhấn mạnh thêm rằng nếu ngược lại, "điều đó sẽ thay đổi đáng kể Mô hình Chuẩn và là thứ các nhà nghiên cứu đã tìm kiếm từ lâu."

Tia laser tử ngoại và kỹ thuật hai trường đồng thời

Để thực hiện phép đo, nhóm nghiên cứu tạo ra một chùm nguyên tử hydro bên trong buồng chân không rồi dùng tia laser tử ngoại để kích thích electron chuyển dịch giữa các mức năng lượng khác nhau. Vì kích thước proton tác động tinh tế đến cách electron hoạt động xung quanh hạt nhân, nhóm có thể suy ra bán kính proton bằng cách đo chính xác các bước chuyển năng lượng đó.

Thách thức lớn nhất là các nguyên tử hydro chuyển động rất nhanh và tương tác với laser trong thời gian cực ngắn, khiến tín hiệu đo bị nhiễu. Ryan Bullis, nghiên cứu sinh tiến sĩ và tác giả chính của công trình, giải thích rằng "Chúng tôi đã phát triển một kỹ thuật mới sử dụng đồng thời hai trường laser để tăng độ chính xác của phép đo." Đây là lần đầu tiên kỹ thuật hai trường laser được áp dụng để giải quyết vấn đề tốc độ nguyên tử trong môi trường chân không.

Một nhóm nghiên cứu độc lập tại Viện Max Planck đã xác nhận kết quả bằng phương pháp đo hoàn toàn khác, củng cố thêm sự tin tưởng vào giá trị bán kính proton được hiệu chỉnh. Hai nhóm nghiên cứu độc lập cùng đến một kết quả là điều hiếm gặp trong vật lý thực nghiệm và thường được xem là bằng chứng vững chắc nhất có thể đạt được.

Công trình được công bố trên tạp chí Physical Review Letters, một trong những tạp chí vật lý uy tín nhất thế giới.

Từ proton đến deuterium và những câu hỏi tiếp theo

Thí nghiệm này còn là một bài kiểm tra cho lý thuyết điện động lực học lượng tử, tức lý thuyết mô tả tương tác giữa ánh sáng và vật chất. Kết quả phù hợp lý thuyết ở độ chính xác phần nghìn tỷ là minh chứng rằng vật lý lý thuyết và vật lý thực nghiệm đang đồng hành chặt chẽ hơn bao giờ hết.

Nhóm Colorado State cho biết các kỹ thuật laser phát triển trong dự án này sẽ được áp dụng tiếp cho các dạng hydro phức tạp hơn, trong đó có deuterium, để thăm dò thêm nhiều khía cạnh khác của vật lý nguyên tử. Yost nhận định rằng công trình này chứng minh các thí nghiệm để bàn có độ chính xác cao hoàn toàn có thể bổ sung cho các công trình gia tốc hạt khổng lồ trong hành trình tìm kiếm vật lý mới và kiểm tra sâu hơn các lý thuyết hiện hành.

Câu hỏi về proton tưởng chừng đã được trả lời từ lâu. Hóa ra, mười năm tranh luận chỉ là lời nhắc nhở rằng ngay cả những hạt quen thuộc nhất cũng còn giữ bí mật chờ công cụ đủ tinh xảo mới hé lộ.