Các nhà khoa học khao khát khám phá những điều bí ẩn và càng nhiều bí ẩn thì càng nhiều đam mê. Vẫn còn đó rất nhiều những câu hỏi chưa trả lời được trong thế giới khoa học, nhưng nếu bạn đi tìm câu hỏi lớn nhất, chắc khó để mà tìm câu nào lớn hơn "Tại sao vật chất lại ở đó, mà không phải là không có gì?"

Câu hỏi này này trông có vẻ triết lý nhưng đó lại là câu hỏi mà các nhà khoa học luôn đặt ra để tìm câu trả lời. Nói theo một cách khác, “Tại sao vũ trụ được tạo thành từ những loại vật chất có thể tạo thành sự sống để mà chúng ta có thể tồn tại để đặt ra câu hỏi này?” Các nhà khoa học đang tham gia một nghiên cứu ở Nhật đã công bố một phép đo tháng trước, gián tiếp định hình phần khó khăn nhất trong câu hỏi này. Có vẻ là phép đo của họ khác biệt với kết quả của lý thuyết hiện tại và có thể dẫn đến câu trả lời cho câu hỏi lâu đời này.

Phép đo của họ có vẻ như cho thấy rằng một tập hợp các hạt hạ nguyên tử, vật chất và phản vật chất cư xử theo cách khác nhau.

Ảnh: LHC là cỗ máy gia tốc hạt mạnh nhất thế giới. Vào tháng Sáu 2015, LHC đã khởi động lại với mức năng lượng vận hành gấp đôi so với năm 2013. Credit: CERN.

Vật chất và phản vật chất

Sử dụng máy gia tốc J-PARC, ở Tokai, Nhật, các nhà khoa học đã bắn một tia hạt hạ nguyên tử gọi là neutrino và phản vật chất của nó (antineutrino) xuyên qua lòng đất đến phòng thí nghiệm Super Kamioka, cũng ở Nhật. Thí nghiệm này được gọi là T2K ( Tokai to Kamiokande), được thiết kế để xác định tại sao vũ trụ chúng ta lại tạo thành từ vật chất. Một biểu hiện kì lạ của neutrino, gọi là dao động neutrino, có thể soi sáng vấn đề bí ẩn này.

Câu hỏi tại sao vũ trụ lại được tạo thành từ vật chất có thể là một câu hỏi kì cục, nhưng có lý do rất hợp lý để các nhà khoa học ngạc nhiên đến vậy. Bởi vì, ngoài vật chất, các nhà khoa học còn biết đến phản vật chất.

Vào năm 1928, nhà bác học người Anh Paul Dirac đề xuất ý kiến về sự tồn tại của phản vật chất - một người anh em trái ngược của vật chất thông thường. Khi trộn lẫn một lượng bằng nhau giữa phản vật chất và vật chất, chúng sẽ tự hủy lẫn nhau, tạo ra một năng lượng cực kì lớn. Và bởi vì các nguyên tắc vật lý thường đúng theo chiều ngược lại nên khi bạn có một lượng vừa đủ năng lượng, nó có thể chuyển thành một lượng vật chất và phản vật chất bằng nhau. Phản vật chất được phát hiện vào năm 1932 bởi nhà khoa học người Mỹ Carl Anderson và các nhà nghiên cứu đã có gần một thế kỷ để tìm hiểu tính chất của chúng.

Tuy nhiên, phát biểu “chuyển thành một lượng bằng nhau” đó lại là khởi điểm của một vấn đề hóc búa. Vào khoảnh khắc ngắn ngủi sau Big Bang, vũ trụ chứa đầy năng lượng. Khi nó giãn nở và lạnh đi, năng lượng đó đáng lẽ dần chuyển thành một lượng bằng nhau của vật chất và phản vật chất mà chúng ta có thể quan sát được bây giờ. Nhưng hiện nay vũ trụ của chúng ta lại gần như cấu thành chỉ từ vật chất. Tại sao lại có thể như vậy?

Bằng cách đếm số lượng hạt nhân trong vũ trụ và so sánh với năng lượng chúng ta quan sát được, các nhà khoa học xác định rằng “lượng bằng nhau” không hoàn toàn đúng. Bằng cách nào đó, khi vũ trụ có tuổi đời bằng mười phần tỉ giây, định luật tự nhiên lại thiên về phía vật chất thông thường. Cứ mỗi 3 tỉ hạt phản vật chất lại có 3 tỉ lẽ 1 hạt vật chất. 3 tỉ hạt vật chất và phản vật chất kết hợp và tự hủy để lại lượng vật chất còn dư tạo nên vũ trụ ngày nay.

Bởi vấn đề này đã được biết đến từ thế kỉ trước, các nhà nghiên cứu đã tìm hiểu vật chất và phản vật chất để xem họ có thể tìm thấy biểu hiện trong các hạt hạ nguyên tử có thể giải thích cho lượng vật chất còn dư. Họ rất tự tin rằng vật chất và phản vật chất được tạo thành với một lượng bằng nhau, nhưng họ đã quan sát được một hạt hạ nguyên tử gọi là quark có biểu hiện hơi thiên về vật chất hơn phản vật chất. Phép đo đó rất chính xác, dùng một họ hạt có tên là meson K mà có thể chuyển đổi từ vật chất sang phản vật chất và ngược lại. Nhưng có một sự khác biệt nhỏ trong việc vật chất chuyển thành phản vật chất so với chiều ngược lại. Hiện tượng này là ngoài mong đợi và phát hiện này đã mang về giải Nobel năm 1980, nhưng độ lớn của hiện tượng không đủ để giải thích tại sao vật chất lại chiếm lĩnh vũ trụ chúng ta.

Tia ma quái

Do đó, các nhà khoa học chuyển mối quan tâm đến neutrino để xem biểu hiện của nó có thể giải thích cho việc dư thừa vật chất. Neutrino là bóng ma của thế giới hạ nguyên tử. Chỉ tương tác bằng lực nguyên tử yếu, nó có thể xuyên qua vật chất mà gần như không tương tác gì cả. Để có một cái nhìn về độ lớn, neutrino tạo ra phần lớn từ phản ứng hạt nhân và lò phản ứng hạt nhân lớn nhất gần chúng ta là Mặt Trời. Để che chắn một người khỏi một nửa lượng neutrino sẽ cần một lượng chì rắn có độ dày 5 năm ánh sáng. Neutrino thật sự không tương tác gì nhiều.

Giữa năm 1998 và 2001, một loạt thí nghiệm, một siêu máy đo Kamiokande và một thí nghiệm khác dùng máy đo SNO ở Sudbury, Ontario - chứng minh rằng neutrino thực sự có một biểu hiện rất đáng ngạc nhiên. Chúng có thể thay đổi bản thân.

Các nhà vật lý học biết có ba loại neutrino, mỗi loại liên kết với một người anh em hạ nguyên tử gọi là electron, muon và tau. Electron là hạt tạo ra điện và muon và tau cũng giống như electron nhưng nặng hơn và không bền.

Ba loại neutrino, được gọi là neutrino electron, neutrino muon và neutrino tau có thể biến hóa thành dạng khác và ngược lại. Biểu hiện này được gọi là dao động neutrino.

Dao động neutrino là hiện tượng lượng tử duy nhất của neutrino, nó giống như việc bạn có một ly kem vani và sau khi bạn đi tìm cái muỗng múc kem, quay lại, bạn thấy trong ly là một nửa chocolate và một nửa vani. Neutrino thay đổi nhân dạng từ một loại neutrino duy nhất, trở thành một hỗn hợp của ba loại neutrino, đến chuyển đổi hoàn toàn thành dạng khác và rồi lại chuyển lại thành dạng ban đầu.

Dao động của phản neutrino

Neutrino là hạt vật chất thông thường, nhưng phản vật chất của nó, aitineutrino cũng tồn tại. Và nó dẫn tới một câu hỏi rất quan trong. Neutrino dao động vậy phản neutrino có dao động không, và có dao động giống với neutrino hay không? Câu trả lời cho câu hỏi đầu là Có, trong khi câu hỏi thứ hai vẫn chưa có câu trả lời.

Hãy xem lại vấn để này theo cách đầy đủ nhưng đơn giản hơn. Giả sử chỉ có hai loại neutrino - muon và electron. Giả sử bạn có một tia chỉ toàn neutrino muon. Neutrino dao động theo một tốc độ nào đó, và bởi vì chúng di chuyển với tốc độ gần bằng vận tốc ánh sáng, sự dao động sẽ là một hàm của khoảng cách từ nơi chúng tạo ra. Do đó, một tia chỉ toàn muon neutrino sẽ trông giống như sự pha trộn giữa muon neutrino và electron neutrino ở một khoảng cách nào đó, và rồi là một tia chỉ toàn electron neutrino ở một khoảng cách khác, và rồi lại trở lại thành tia muon neutrino. Phản neutrino cũng như vậy.

Tuy nhiên, nếu neutrino và phản neutrino dao động hơi khác nhau, bạn sẽ mong đợi rằng nếu bạn đứng ở một vị trí cố định cách xa nguồn tia neutrino chỉ toàn muon neutrino hoặc phản muon neutrino thì trong trường hợp neutrino, bạn sẽ thấy một tỉ lệ pha trộn giữa muon neutrino và electron neutrino, còn với phản neutrino, bạn sẽ thấy một tỉ lệ pha trộn khác. Tuy nhiên, thực tế phức tạp hơn nhiều bởi chúng ta có tới ba loại neutrino và dao động neutrino phụ thuộc vào năng lượng của tia, nhưng đây là những ý tưởng hay.

Quan sát sự khác biệt tần số dao động giữa neutrino và antineutrino sẽ là một bước quan trọng trong việc tiến tới hiểu được vì sao vũ trụ lại được tạo thành từ vật chất thông thường. Tuy nó không phải là toàn bộ câu chuyện, bởi vì một số hiện tượng mới cũng sẽ góp phần, nhưng sự khác biệt giữa neutrino và antineutrino sẽ cần thiết để giải thích tại sao vật chất thông thường lại nhiều hơn trong vũ trụ.

Trong lý thuyết hiện tại về tương tác neutrino, có một biến số nhạy với khả năng neutrino và antineutrino dao động khác nhau. Nếu biến này bằng không, neutrino và antineutrino dao động hoàn toàn giống nhau; nhưng nếu biến này khác không, hai loại này dao động khác nhau.

Khi T2K đo đạc giá trị biến số này, các nhà khoa học thấy rằng nó không phù hợp với giả thiết neutrino và antineutrino dao động giống nhau. Nói theo khoa học thống kê, họ xác định được một khoảng giá trị cho biến này. Xác suất 95% giá trị của biến nằm trong khoảng này và 5% khả năng giá trị của biến nằm ngoài khoảng này. Giả thuyết “không có sự khác biệt giữa neutrino và antineutrino” nằm ngoài 95% của khoảng.

Theo cách đơn giản, phép đo hiện tại đề xuất rằng neutrino và antineutrino dao động khác nhau, tuy nhiên độ tin cậy chưa đạt mức để khẳng định điều đó. Thực tế, những người phản biện chỉ ra rằng phép đo đạc với mức thống kê như vậy rất đáng để nghi vấn. Nhưng đây là một kết quả ban đầu rất đáng khích lệ và cộng đồng khoa học thế giới đang rất thích thú với việc tăng độ chính xác phép đo và làm các thí nghiệm chính xác hơn.

Phòng thí nghiệm T2K sẽ tiếp tục ghi nhận các dữ liệu bổ sung với hi vọng có thể khẳng định kết quả, nhưng đây không phải là phòng thí nghiệm duy nhất hướng tới điều đó. Tại Fermilab, vùng ngoại ô Chicago, một thí nghiệm tương tự được gọi là NOVA đang bắn cả neutrino và antineutrino đến Bắc Minesota, hi vọng sẽ vượt mặt T2K. Và, trong tương lai xa hơn, Fermilab đang cố gắng trong thí nghiệm cao cấp của mình, được gọi là DUNE ( Deep Underground Neutrino Experiment), có khả năng vượt trội hơn trong việc nghiên cứu hiện tượng này.

Trong khi kết quả của T2K chưa khẳng định được và còn nhiều cẩn trọng, nó vẫn là nguồn động lực. Do tính chất to lớn của câu hỏi tại sao vũ trụ lại không thiên về phản vật chất, cộng đồng khoa học thế giới sẽ rất hứng thú chờ đợi những cập nhật tiếp theo.

Theo Space, Live Science

Tham khảo

Author: Bùi Thanh Huy
Kỹ sư cơ điện tử ở TP Hồ Chí Minh. Thành viên CLB Thiên văn học Nghiệp dư Tp. Hồ Chí Minh (HAAC).