Kiểm soát thành công hạt phản vật chất nhiều tháng, hé mở lời giải bí ẩn vũ trụ

Các nhà vật lý tại Đại học Northwestern (Mỹ) đã đạt bước tiến mới trong nghiên cứu phản vật chất khi giữ được một hạt positron riêng lẻ trong nhiều tháng, đồng thời kiểm soát và quan sát các trạng thái lượng tử của hạt. Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí Physical Review Letters ngày 21/10.

Thiết bị dùng để thực hiện thí nghiệm giữ hạt phản vật chất tại Đại học Northwestern.

Positron là phản hạt của electron, có cùng khối lượng nhưng mang điện tích trái dấu. Khi positron tiếp xúc với electron, hai hạt có thể hủy nhau, giải phóng năng lượng. Vì vậy, việc cô lập phản vật chất khỏi vật chất thông thường trong thời gian dài là thách thức lớn đối với các nhà khoa học.

Theo Đại học Northwestern, nhóm nghiên cứu do Giáo sư Gerald Gabrielse dẫn đầu đã sử dụng một thiết bị bẫy kết hợp điện trường và từ trường để giữ positron lơ lửng trong môi trường chân không gần như tuyệt đối, không tiếp xúc với thành vật chứa. Thiết bị được làm lạnh xuống khoảng 0,3 kelvin, chỉ cao hơn độ không tuyệt đối 0,3 độ C theo thang nhiệt độ Kelvin.

Hạt positron được tạo ra từ quá trình phân rã phóng xạ của đồng vị natri-22. Nhóm nghiên cứu phải giảm tốc hạt trước khi đưa vào bẫy, sau đó làm lạnh và kiểm soát chuyển động của nó. Nhờ vậy, các nhà khoa học có thể sử dụng những xung vi sóng được hiệu chỉnh chính xác để đưa positron chuyển giữa các mức năng lượng lượng tử, đồng thời quan sát sự thay đổi mà không phá hủy hạt.

Thành tựu này mở ra cơ hội kiểm chứng những nguyên lý nền tảng của vật lý. Bằng cách đo và so sánh đặc tính từ của positron với electron, các nhà khoa học kỳ vọng kiểm tra chính xác hơn tính đối xứng giữa vật chất và phản vật chất.

Đằng sau thí nghiệm này, một câu hỏi lớn cũng được đặt ra: Nếu Vụ nổ Big Bang tạo ra vật chất và phản vật chất với lượng tương đương, tại sao vũ trụ ngày nay lại chủ yếu được cấu thành từ vật chất? Nếu phát hiện sự khác biệt giữa hai loại hạt, các nhà khoa học có thể tìm thấy manh mối quan trọng về những giới hạn của Mô hình Chuẩn - lý thuyết nền tảng mô tả các hạt cơ bản và tương tác của chúng.