 |
| Thiết bị mà các nhà vật lý tại Viện Nghiên cứu hạt nhân ở Debrecen, Hungary sử dụng để tìm thấy bằng chứng cho một hạt mới? |
Tiến sĩ Attila Krasznahorkay và các đồng nghiệp tại Viện Nghiên cứu hạt nhân thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Hungary ở Debrecen, đã thông báo kết quả đáng ngạc nhiên trên báo arXiv2 và Physical Review Letters, trong đó chỉ ra sự tồn tại của một lực mới, ánh sáng boson chỉ nặng hơn electron có 34 lần - đã bị số đông các nhà vật lý bỏ qua.
Sau đó, giáo sư Jonathan Feng tại Đại học California ở Irvine, tác giả chính của bài báo trên arXiv, cho biết, một nhóm các nhà vật lý lý thuyết Mỹ đã giúp phát hiện này được chú ý rộng hơn bằng việc công bố các phân tích riêng về kết quả. Nhóm đã chỉ ra rằng, các dữ liệu không mâu thuẫn với bất kỳ thí nghiệm nào trước đây, và kết luận đó có thể là bằng chứng cho lực cơ bản thứ năm trong tự nhiên.
 |
Sau đó, hai đồng nghiệp của Feng đã trình bày phát hiện này tại hội thảo của Phòng thí nghiệm gia tốc quốc gia SLAC ở Menlo Park, California. Tuy còn chút hoài nghi, nhưng các nhà nghiên cứu đã chào đón ý tưởng mới này, nhà vật lý Bogdan Wojtsekhowski tại Phòng thí nghiệm gia tốc Quốc gia Thomas Jefferson ở Newport News, Virginia, nói. Theo ông, nhiều người tham gia hội thảo đang tìm hiểu những cách khác nhau để kiểm tra giả thuyết, các nhóm ở châu Âu và Mỹ có thể xác nhận hoặc bác bỏ các kết quả thực nghiệm của các nhà khoa học Hungary trong vòng khoảng một năm nữa.
Tìm kiếm các lực mới
Theo mô hình vật lý chuẩn, lực hấp dẫn, lực điện từ, lực hạt nhân mạnh và lực hạt nhân yếu là bốn lực cơ bản trong vật lý. Trong thập kỷ qua, việc tìm kiếm các lực mới được tăng cường do mô hình chuẩn không thể giải thích được sự tồn tại của vật chất tối - một chất vô hình được cho là tạo nên hơn 80% khối lượng của vũ trụ. Các nhà vật lý lý thuyết đã đề xuất các hạt vật chất kỳ lạ khác mang lực tương tác giữa chúng, trong đó có “photon tối”, tương tự như các photon thông thường mang lực điện từ.
 |
Nhóm của tiến sĩ Krasznahorkay đã tìm kiếm các bằng chứng về một photon tối như vậy, nhưng nhóm Feng lại cho rằng họ tìm thấy một thứ gì đó khác. Nhóm Hungary đã bắn các proton vào các lithium-7, tạo ra các nguyên tử beryllium-8 không ổn định bị phân rã và sản sinh ra các cặp electron và positron. Theo mô hình chuẩn, các nhà vật lý sẽ phải thấy số lượng các cặp quan sát được giảm khi góc tách quỹ đạo của các electron và positron tăng. Nhưng nhóm nghiên cứu lại thông báo rằng ở góc khoảng 140 độ, số lượng bức xạ như vậy tăng vọt lên - tạo ra một “cú va đập mạnh” khi số lượng các cặp dường như để chống lại góc này - trước khi giảm xuống một lần nữa ở góc cao hơn.
Bằng chứng về cú va đập
Theo ông Krasznahorkay, cú va đập này là bằng chứng rõ ràng về khoảnh khắc không ổn định nguyên tử beryllium-8 giải phóng năng lượng dư thừa dưới hình thức của một hạt mới, sau đó phân rã thành một cặp electron-positron. Các nhà khoa học đã tính toán khối lượng của hạt này là vào khoảng 17 MeV (megaelectronvolt).
 |
“Chúng tôi rất tự tin về kết quả thực nghiệm của mình”, ông Krasznahorkay nói. Ông cho biết, nhóm đã thử nghiệm nhiều lần trong ba năm qua và rằng đã loại bỏ tất cả các nguồn có thể gây sai lệch. Giả sử nếu có sai lệch như vậy, tỷ lệ đó chỉ là khoảng 1 phần 200 tỷ, nhóm nghiên cứu cho biết.
Giáo sư Feng và các đồng nghiệp cho rằng, hạt 17 MeV này không phải là một photon tối. Sau khi phân tích sự bất thường và tìm kiếm các đặc điểm phù hợp với kết quả thực nghiệm trước đó, họ kết luận, các hạt này thay vì có thể là một hạ hạt (boson) “protophobic X”. Một hạt như vậy sẽ mang theo một lực tương tác cực ngắn tác động trên một khoảng cách chỉ vài lần chiều rộng của một hạt nhân nguyên tử. Và khi một photon tối (giống như một photon thông thường) kết hợp với các electron và proton, boson mới này sẽ kết hợp với các electron và neutron. Ông Feng cho biết, hiện nhóm của ông đang kiểm tra các loại hạt có thể giải thích sự bất thường này. Nhưng theo ông, các boson protophobic là “khả năng đơn giản nhất”.
 |
Sự kết hợp độc đáo
Theo phó giáo sư Jesse Thaler, nhà vật lý lý thuyết tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT), sự kết hợp bất thường do nhóm của giáo sư Feng đề xuất khiến ông nghi ngờ rằng loại hạt mới này có tồn tại. “Đó chắc chắn không phải là điều đầu tiên tôi nghĩ đến nếu được phép mở rộng mô hình chuẩn theo ý muốn”, ông nói. Nhưng ông “chú ý” đến đề xuất này. “Có lẽ chúng ta đang thoáng có cái nhìn thấy cái nhìn đầu tiên về đặc điểm vật lý bên ngoài vũ trụ có thể nhìn thấy”, ông nói.
 |
Nhưng các nhà nghiên cứu có lẽ không cần phải chờ đợi lâu để xem một hạt 17 MeV có thực sự tồn tại. Thí nghiệm DarkLight tại Phòng thí nghiệm Jefferson được thiết kế để tìm kiếm các photon tối với khối lượng khoảng 10-100 MeV, bằng cách bắn các electron vào khí hydro. Thí nghiệm này giờ sẽ ưu tiên tập trung vào vùng 17 MeV, và trong vòng một năm, hoặc có thể tìm ra hạt đề xuất hoặc đặt ra giới hạn chính xác về sự kết hợp của nó với vật chất thông thường.
Việc tìm kiếm các boson này cũng sẽ được thực hiện tại máy gia tốc hạt lớn LHC tại Phòng Thí nghiệm hạt vật lý của châu Âu (CERN) gần Geneva, trong đó sẽ nghiên cứu phân rã quark-phản quark, và hai thí nghiệm bắn phá positron vào một mục tiêu cố định - một tại Phòng Thí nghiệm quốc gia INFN Frascati gần Rome (Italy) vào năm 2018 và một tại Viện Vật lý hạt nhân Budker ở thành phố Novosibirsk thuộc Siberia của Nga.
