Nghiên cứu về phản vật chất cung cấp những hiểu biết sâu sắc về sự đối xứng giữa vật chất và phản vật chất, một khía cạnh quan trọng của vật lý hạt.
Phản vật chất đã mê hoặc các nhà khoa học và những người đam mê khoa học viễn tưởng trong nhiều thập kỷ. Mặc dù nó sở hữu những đặc tính phi thường và có tiềm năng cách mạng hóa nhiều lĩnh vực khác nhau, nhưng có một thách thức khiến các nhà khoa học bối rối trong nhiều năm – phản vật chất có thời gian tồn tại cực kỳ ngắn.
Vậy tại sao các nhà khoa học vẫn tiếp tục tạo ra thứ gần như biến mất ngay lập tức?
Năm 1928 , nhà vật lý Paul Dirac đề xuất một ý tưởng, đó là đối với mỗi hạt vật chất trong vũ trụ đều phải tồn tại một phản vật chất tương ứng. Tuy nhiên, ngay sau Vụ nổ lớn, một sự kiện vũ trụ bí ẩn đã xảy ra, dẫn đến sự biến mất của hầu hết phản vật chất, chỉ để lại chưa đến 5% vật chất cấu thành nên vũ trụ như chúng ta biết ngày nay.
Giới thiệu về phản vật chất
Theo vật lý hiện đại, mỗi hạt vật chất đều có một phản hạt tương ứng. Ví dụ, phản hạt của electron được gọi là positron, mang điện tích dương.
Khi các hạt vật chất và phản vật chất gặp nhau, chúng sẽ hủy lẫn nhau, giải phóng năng lượng trong quá trình này.
Sự hủy diệt này về mặt toán học được đưa ra bởi phương trình nổi tiếng của Einstein, E=mc2, trong đó E đại diện cho năng lượng, m là khối lượng và c là tốc độ ánh sáng. Kết quả của phương trình này là một nguồn năng lượng bùng nổ cực kỳ hiệu quả.
Ảnh minh họa về vật chất và phản vật chất.
Năng lượng giải phóng từ sự hủy diệt vật chất-phản vật chất mạnh hơn nhiều so với bất cứ thứ gì có thể đạt được thông qua các phản ứng hóa học, phân hạch hạt nhân hoặc thậm chí phản ứng tổng hợp hạt nhân. Chính nguồn năng lượng của tương lai này đã khơi dậy vô số câu chuyện (tất nhiên là trong phim), từ động cơ đẩy tàu vũ trụ đến nguồn năng lượng tối thượng.
Về lý thuyết, chỉ một lượng nhỏ phản vật chất có thể tạo ra một lượng năng lượng khổng lồ, khiến nó trở thành nhân tố thay đổi cuộc chơi tiềm năng trong hoạt động khám phá không gian và sản xuất năng lượng trên Trái Đất.
Trường hợp kỳ lạ của phản hydro
Nguyên tử đơn giản nhất trong vũ trụ là hydro, gồm một proton và một electron quay quanh, phản vật chất với nguyên tố cơ bản này là phản hydro, một nguyên tử trung tính bao gồm một positron tích điện dương quay quanh một phản proton tích điện âm.
Năm 1995, các nhà vật lý tại Tổ chức Nghiên cứu Hạt nhân Châu Âu (CERN) đã đạt được một cột mốc đột phá khi chế tạo thành công các nguyên tử phản hydro đầu tiên.
So sánh giữa vật chất và phản vật chất.
Điều này được thực hiện nhờ Vòng phản proton năng lượng thấp (LEAR) của CERN. Quá trình này bao gồm việc cho phép các phản proton mang năng lượng va chạm với các hạt nhân nguyên tử nặng, một va chạm có thể tạo ra các cặp electron-positron.
Sau khi tạo ra một mảnh Phản vật chất thực sự, việc giữ nó trong thời gian dài hơn là nhiệm vụ thiết yếu của các nhà khoa học. Việc lưu trữ nó là khó khăn nhưng cần thiết để nghiên cứu hiệu quả hành trạng của phản hạt này.
Giải pháp được đưa ra là Máy giảm tốc phản proton, được thành lập tại CERN vào cuối những năm 1990, cung cấp các phản proton chuyển động chậm hơn, năng lượng thấp hơn cho các thí nghiệm phản vật chất. Máy dò silicon được sử dụng để phát hiện và định vị các vụ nổ năng lượng mạnh, xác nhận sự hiện diện của phản hydro bị mắc kẹt.
Một trong những mục tiêu chính của thí nghiệm ALPHA tại CERN năm 2011 là tiến hành so sánh chính xác giữa hydro và phản hydro để xác định xem chúng có có chung vạch quang phổ hay không, một thử nghiệm quan trọng về tính đối xứng cơ bản giữa vật chất và phản vật chất.
Để làm được điều này, các nhà khoa học đã lưu trữ thành công các nguyên tử phản vật chất trong khoảng 16 phút. Với khả năng mới này để bẫy phản hydro trong thời gian dài, các nhà nghiên cứu giờ đây có cơ hội hiểu rõ hơn về các đặc tính của nó.
Minh họa va chạm hạt tại CERN.
Một nỗ lực nghiên cứu khác - thí nghiệm AEGIS - nhằm mục đích đo hằng số gia tốc trọng trường (g) mà các nguyên tử phản hydro trải qua. Những thí nghiệm này, cùng với những thí nghiệm khác, có tiềm năng giải mã những bí ẩn xung quanh phản vật chất.
Vậy, nếu việc tạo ra và lưu trữ phản vật chất quá khó khăn thì tại sao các nhà khoa học vẫn kiên trì nỗ lực?
Câu trả lời nằm ở việc theo đuổi kiến thức và trả lời những câu hỏi cơ bản về vũ trụ. Phản vật chất không chỉ là nguồn năng lượng tiềm năng; đó là một khía cạnh cơ bản của vật lý hạt và vũ trụ học. Nó cung cấp cái nhìn sâu sắc về tính đối xứng giữa vật chất và phản vật chất cũng như bí ẩn dai dẳng về lý do tại sao có nhiều vật chất hơn phản vật chất trong vũ trụ.
Ứng dụng y tế và thực tế của phản vật chất
Phản vật chất không chỉ dùng để cung cấp năng lượng cho các phi thuyền; nó cũng có những ứng dụng thiết thực và thực tế! Trong lĩnh vực y học, chụp cắt lớp phát xạ positron (PET) dựa vào phản vật chất. Positron được sử dụng để tạo ra hình ảnh của cơ thể con người, hỗ trợ chẩn đoán và điều trị các bệnh khác nhau. Công nghệ y tế này đã cứu sống vô số người.
Trong khi ý tưởng về lực đẩy phản vật chất phần lớn vẫn còn mang tính lý thuyết, thì đó là một lĩnh vực đang được nghiên cứu tích cực. Khái niệm này liên quan đến việc sử dụng năng lượng giải phóng từ sự hủy diệt vật chất-phản vật chất như một phương pháp đẩy hiệu quả cao cho tàu vũ trụ.
Phản vật chất cũng có thể được sử dụng để đẩy tàu vũ trụ.
Tóm lại, việc tạo ra và nghiên cứu phản vật chất vẫn tồn tại như một lĩnh vực được khoa học quan tâm và nghiên cứu sâu sắc. Bất chấp bản chất của nó và những khó khăn liên quan đến việc ngăn chặn và sản xuất, nghiên cứu phản vật chất hứa hẹn mang lại những hiểu biết sâu sắc về bản chất cơ bản của vũ trụ.