Một hạt phản vật chất bị giữ trong nhiều tháng
Phản vật chất là bản sao gương của vật chất thông thường: cùng khối lượng, điện tích trái dấu. Vấn đề là ngay khi một hạt phản vật chất gặp đối tác thông thường của nó, cả hai biến mất trong một tia năng lượng. Sự hủy diệt đó khiến phản vật chất nổi tiếng khó nghiên cứu — bạn có thể tạo ra nó, nhưng hầu như không thể giữ nó lại. Giờ đây, một nhóm tại Đại học Northwestern ở Hoa Kỳ đã làm được điều nghe gần như bất khả thi: họ giữ một positron — phiên bản phản vật chất của electron — bị mắc kẹt và cô lập trong nhiều tháng.
Công trình được công bố ngày 21 tháng 10 trên Physical Review Letters. Các nhà nghiên cứu giam positron bên trong một bẫy được thiết kế đặc biệt và làm lạnh nó đến trạng thái lượng tử gần độ không tuyệt đối, nhiệt độ lạnh nhất có thể về mặt vật lý. Ở trạng thái đó, hạt không tiếp xúc với vật chất thông thường nên không thể hủy diệt. Thay vì biến mất trong micro giây, nó tồn tại trong nhiều tháng, đủ lâu để các nhà khoa học kiểm soát và quan sát trạng thái của nó với độ chính xác phi thường.
Tại sao điều này quan trọng? Bởi vì vũ trụ không cân đối. Vụ Nổ Lớn lẽ ra phải tạo ra lượng vật chất và phản vật chất bằng nhau, chúng sẽ xóa sổ lẫn nhau và để lại một vũ trụ chỉ toàn ánh sáng. Thế mà chúng ta vẫn ở đây, được tạo nên từ vật chất. Hẳn phải có điều gì đó đã làm lệch cán cân, và các nhà vật lý nghi ngờ câu trả lời nằm ở những khác biệt nhỏ giữa vật chất và phản vật chất — những khác biệt mà chỉ các thí nghiệm rất chính xác mới có thể phát hiện.
Một positron tồn tại lâu và được kiểm soát tốt là đầu dò lý tưởng cho cuộc tìm kiếm đó. Nhóm Northwestern cho biết hạt bị bẫy của họ cung cấp nền tảng thí nghiệm nghiêm ngặt nhất từ trước đến nay để kiểm tra tính đối xứng giữa electron và positron. Nếu hai hạt không phải là hình ảnh gương hoàn hảo — nếu tính chất của chúng khác nhau dù chỉ một chút — thì loại thí nghiệm này là nơi điều đó sẽ lộ ra.
Kết quả cũng cho thấy một làn sóng rộng lớn hơn trong vật lý chính xác. Trên khắp thế giới, các nhà nghiên cứu đang đẩy phép đo đến những giới hạn mới: đồng hồ hạt nhân đếm nhịp theo mức năng lượng bên trong hạt nhân nguyên tử thay vì ở các electron lớp ngoài, và cảm biến lượng tử có thể phát hiện những tín hiệu yếu ớt từng bị coi là không thể đo được. Việc giữ phản vật chất trong nhiều tháng thuộc cùng xu hướng đó — nghệ thuật cô lập một hạt duy nhất và lắng nghe nó rất, rất cẩn thận.
Với độc giả xa rời phòng thí nghiệm vật lý, lợi ích thực tiễn có vẻ xa vời, nhưng lịch sử đo lường chính xác cho thấy điều ngược lại. Các kỹ thuật phát triển để bẫy và làm lạnh hạt đơn lẻ đã góp phần vào hình ảnh y tế, khoa học vật liệu và những chiếc đồng hồ giữ đồng bộ các vệ tinh định vị. Hiểu biết tốt hơn về phản vật chất, về lâu dài, có thể định hình lại cách chúng ta nghĩ về những khối xây dựng cơ bản nhất của vũ trụ.
Hiện tại, tiêu đề thật đơn giản và kỳ lạ: một mẩu phản vật chất, thứ tự hủy diệt khi tiếp xúc với thế giới của chúng ta, đã được giữ sống trong phòng thí nghiệm suốt nhiều tháng. Đó là một hạt nhỏ trong một chiếc bẫy nhỏ — và một bước tiến lớn trong nỗ lực lâu dài của con người nhằm hiểu tại sao mọi thứ lại tồn tại.