Trong thế giới vật lý vi mô, phản vật chất luôn được coi là thứ vật chất ma quái và khó nắm bắt bậc nhất. Ngay khi tiếp xúc với vật chất thông thường, một phản hạt sẽ lập tức cùng đối hạt của nó nổ tung trong một quá trình hủy diệt lẫn nhau hoàn toàn.
Với mức chi phí sản xuất thiên văn, ước tính từ 62,5 nghìn tỷ đến 100 nghìn tỷ USD cho mỗi gram, việc duy trì một mẫu thử phản vật chất để nghiên cứu từ lâu đã là rào cản kỹ thuật khổng lồ của nhân loại.
Thế nhưng mới đây, một nhóm các nhà vật lý tại Đại học Northwestern do giáo sư Gerald Gabrielse dẫn đầu đã đạt được kỳ tích chấn động: bẫy giữ một hạt positron duy nhất suốt nhiều tháng liền và kiểm soát chính xác từng bước nhảy lượng tử của nó.
Thành tựu này vừa được công bố trên tạp chí khoa học danh giá Physical Review Letters. Để giam giữ một hạt positron - đối hạt mang điện tích dương của electron - các nhà nghiên cứu phải đối mặt với bài toán tưởng chừng bất khả thi: xây dựng một chiếc bình chứa không có thành vách vật lý. Bởi lẽ, electron hiện diện ở khắp mọi nơi xung quanh chúng ta, và chỉ cần một cú va chạm nhẹ vào bất kỳ bề mặt kim loại hay phân tử khí nào, hạt positron quý giá sẽ bị xóa sổ ngay tức khắc.
Giải pháp được đưa ra là cỗ máy bẫy Penning phức hợp. Quy trình bắt đầu từ sự phân rã phóng xạ của đồng vị natri-22, giải phóng hạt positron với vận tốc cực lớn. Hạt này sau đó được dẫn qua tinh thể vonfram lạnh để triệt tiêu bớt động năng rồi kết hợp tạm thời với một electron tạo thành cặp hạt liên kết lỏng lẻo gọi là positronium.
Nhờ trạng thái trung hòa về điện tích, cặp hạt có thể dễ dàng luồn qua khe hở của thiết bị bẫy mà không bị điện trường xung quanh làm chệch hướng. Ngay khi lọt vào buồng giam, điện trường lập tức bóc tách hạt electron ra ngoài, bỏ lại positron đơn độc nằm gọn trong tâm bẫy.
Bên trong buồng chân không gần như tuyệt đối, một từ trường cực mạnh lên tới 5,6 tesla kết hợp cùng hệ thống điện cực tinh vi giữ hạt lơ lửng, cách ly hoàn toàn khỏi mọi bề mặt vật chất. Hệ thống làm lạnh chuyên dụng hạ nhiệt độ buồng bẫy xuống 0,3 độ trên độ không tuyệt đối, tương đương âm 272,85 độ C.
Ở ngưỡng nhiệt độ chết chóc này, bức xạ nhiệt bị triệt tiêu gần như hoàn toàn, ngăn ngừa mọi xung động có thể phá hủy liên kết. Dù mỗi lần nạp một hạt positron tiêu tốn từ 8 đến 11 giờ thao tác chuẩn xác, một khi đã yên vị, hạt phản vật chất này có thể tồn tại ổn định suốt nhiều tháng.
Không dừng lại ở việc giam giữ, nhóm nghiên cứu đã biến chiếc bẫy thành một máy cyclotron lượng tử một positron. Dưới tác động của từ trường, hạt positron quay tròn như một nguyên tử nhân tạo tí hon.
Bằng các chùm xung vi sóng được hiệu chỉnh chuẩn xác, các nhà khoa học có thể kích hoạt hạt nhảy từ mức năng lượng cơ bản lên các mức cao hơn và thực hiện đảo chiều spin - một đặc tính từ lượng tử nội tại - mà hoàn toàn không làm xáo trộn các trạng thái cần đo lường.
Đây là lần đầu tiên con người có thể quan sát trực tiếp các bước nhảy lượng tử của một hạt phản vật chất riêng rẽ với độ phân giải tuyệt đối.
Mục tiêu sau cùng của công trình kỳ công này chính là đo lường mô men từ của positron nhằm so sánh với mô men từ của electron. Năm 2023, nhóm của Gabrielse đã đo được mô men từ của electron với độ bất định chỉ 0,13 phần nghìn tỷ.
Trong khi đó, kỷ lục đo lường trực tiếp trên positron từ năm 1987 mới chỉ đạt độ chính xác trong ngưỡng 2,1 phần nghìn tỷ. Thiết bị mới của Đại học Northwestern được kỳ vọng sẽ nâng độ chính xác của phép so sánh lên gấp 30 lần.
Phép đo này mang ý nghĩa sống còn đối với nền tảng vật lý hạt. Theo Mô hình Chuẩn và nguyên lý đối xứng CPT, các định luật vật lý phải giữ nguyên tính chất khi không gian, thời gian và điện tích bị đảo ngược đồng thời.
Điều này đồng nghĩa mô men từ của electron và positron buộc phải bằng nhau tuyệt đối về độ lớn và chỉ trái ngược về dấu. Nếu các phép đo sắp tới chỉ ra một sai lệch dù là nhỏ nhất, các trụ cột của vật lý lý thuyết hiện đại sẽ phải viết lại từ đầu.
Quan trọng hơn, sai số đó có thể giải mã câu hỏi lớn nhất của vũ trụ học: Tại sao vạn vật lại tồn tại? Về mặt lý thuyết, vụ nổ Big Bang phải sản sinh ra vật chất và phản vật chất với số lượng tương đương nhau, dẫn tới sự tự hủy diệt hoàn toàn.
Thế nhưng, một lượng vật chất dư thừa bí ẩn đã sống sót để kiến tạo nên các dải ngân hà, những vì sao, các hành tinh và sự sống hôm nay. Sự bất đối xứng đó bắt nguồn từ đâu vẫn là một khoảng trống bí ẩn mà nhân loại chưa thể giải thích.
Dù các thí nghiệm song song tại CERN trên antihydrogen hay chính cỗ máy bẫy mới của Đại học Northwestern vẫn cho thấy sự tuân thủ nghiêm ngặt của phản vật chất đối với các định luật đối xứng hiện hành, bước đột phá về khả năng giam giữ và điều khiển lượng tử một positron đơn lẻ đã mở ra một kỷ nguyên thực nghiệm hoàn toàn mới.
Nếu các phép so sánh mô men từ sắp tới hé lộ sự khác biệt, khoa học thế giới sẽ chính thức bước vào một cuộc cách mạng vật lý vĩ đại nhất trong vòng một thế kỷ qua.
Đức Khương
