Các nhà vật lý lên kế hoạch tìm kiếm phản vật chất

Các nhà nghiên cứu đang tập trung chuyển loại vật liệu khó nắm bắt này giữa các phòng thí nghiệm và dùng nó để nghiên cứu tác động kỳ lạ của hạt nhân phóng xạ hiếm.

Phản vật chất là một chất hết sức khó nắm bắt nhưng các nhà vật lý đã học được cách kiểm soát nó bằng một công cụ lần đầu tiên được sử dụng. Trong dự án PUMA (anti-Proton Unstable Matter Annihilation) bắt đầu từ tháng 1/2018 tại CERN, các nhà nghiên cứu đã chuyển phản vật chất trong một xe tải và dùng nó để nghiên cứu tác động kỳ lạ của hạt nhân phóng xạ hiếm. Nghiên cứu này hướng đến mục tiêu đem lại những hiểu biết sâu sắc hơn về các quá trình cơ bản bên trong hạt nhân nguyên tử và để giúp các nhà vật lý thiên văn nghiên cứu về những phần bên trong của các ngôi sao neutron, vốn là trạng thái đậm đặc nhất trong vũ trụ.

Các phản hạt proton xuất hiện theo cách độc nhất vô nhị để nghiên cứu về các nguyên tố phóng xạ được làm tại thí nghiệm ISOLDE, CERN.

“Người ta đã từng nghiên cứu về phản vật chất từ khá lâu và giờ thì cũng đủ để có thể bắt đầu dùng những hiểu biết về nó [trong] một thiết bị dò vật chất”, nhà vật lý Alexandre Obertelli (trường đại học Kỹ thuật Darmstadt, Đức) và phụ trách dự án cho biết.

CERN đã tạo ra các phản hạt proton – một hình ảnh phản chiếu của các hạt proton – bằng việc bắn một chùm proton vào một tấm bia kim loại, sau đó các phản hạt xuất hiện chậm chạp và có thể dùng chúng cho các thí nghiệm. Obertelli và các đồng nghiệp của ông lập kế hoạch dùng từ trường và điện trường để bẫy một đám mây các phản hạt proton trong một thiết bị chân không. Tiếp theo họ sẽ đưa "cái bẫy" đó lên một xe tải và chở nó đến một địa điểm thực hiện thí nghiệm khác cách đó vài trăm mét mang tên ISOLDE, nhằm sản xuất nguyên tử hạt nhân phóng xạ hiếm mà quá trình phân rã thường diễn ra rất nhanh để có thể vận chuyển chúng đi bất cứ đâu. "Chuyên chở phản hạt bằng một xe tải thực sự là một câu chuyện khoa học viễn tưởng", Charles Horowitz, nhà vật lý lý thuyết hạt nhân tại trường ĐH Indiana, Bloomington, cho biết, “đây là ý tưởng tuyệt vời”.

Máy dò độc nhất vô nhị

Bởi vì thời gian sống của các phản hạt proton rất ngắn, với cả protons và neutrons, nên chỉ có một cách độc nhất để nghiên cứu các hình dạng không thường thấy của hạt nhân phóng xạ. Trong khi hạt nhân nguyên tử giữ các proton và neutron ở mức gần tương đương nhau, các đồng vị phóng xạ được nạp thêm nhiều neutron. Sự thiếu cân bằng này có thể dẫn đến những tác động kỳ lạ, bao gồm một bề mặt "da" được làm dầy lên bằng neutron hơn là proton. Bằng việc quan sát các phản hạt proton hủy cặp cùng một proton và một neutron như thế nào, nhóm nghiên cứu sẽ có khả năng hiểu được mật độ có tính liên hệ giữa các hạt ở bề mặt các hạt nhân. Và bởi quá trình hủy này diễn ra rất nhanh nên thời gian đo đạc thí nghiệm phải đủ nhanh để quan sát được hiện tượng, dẫu cho thời gian sống của hạt nhân rất ngắn. “Đây là một loại thí nghiệm mà chúng tôi chưa từng có khả năng thực hiện được trước đây để ghi nhận những vấn đề mới, nhiều hạt nhân kỳ lạ có những cấu trúc hết sức thú vị”, Horowitz nói.

Để tìm ra cấu trúc bề mặt của các hạt nhân nguyên tử, các nhà vật lý đã chuyển chùm ion của chất đồng vị phóng xạ hiếm vào một thiết bị hình ống có chiều dài 700milimet, nơi chúng bị hủy cùng các phản hạt proton bị bẫy.

Hạt nhân phóng xạ đóng vai trò như một thế giới vi mô để các nhà nghiên cứu tìm hiểu về các ngôi sao neutron, những vật thể mà khối lượng được nén chặt tương đương với khối lượng mặt trời nhưng kích thước chỉ tương đương một thành phố. Những kiến thức này sẽ là yếu tố chính để hiểu các nguyên tố nặng trong vũ trụ được hình thành như thế nào. Không chỉ lõi của những ngôi sao siêu đặc này vẫn còn chứa nhiều bí ẩn mà cấu trúc của nó còn được định hình từ những tác động còn ít được biết đến và tạo ra những hiện tượng kỳ dị trong hạt nhân giàu neutron. "Việc hiểu được các bề mặt và các vầng hào quang neutron là rất quan trọng vì qua đó có thể thực hiện được phần lớn những quan sát vật lý thiên văn", Panagiota Papakonstantinou, nhà vật lý hạt nhân tại Viện nghiên cứu khoa học cơ bản ở Daejeon (Hàn Quốc) cho biết.

Obertelli và các cộng sự đã tạo ra một cái bẫy có thể chứa 1 tỷ phản hạt proton – một kỷ lục mới, nhiều hơn 100 lần so với lượng phản hạt proton được chứa trong bất kỳ thí nghiệm nào đã thực hiện trước đó. Một khó khăn khác là mỗi lần thực hiện thí nghiệm sẽ phải giữ chúng trong bẫy trong nhiều tuần, trong khi việc giữ vài chục phản hạt một lúc còn xa mới thực hiện được. Điều đó có nghĩa là giữ chúng tại mức 4 độ C và trong một môi trường chân không tương tự như không gian liên sao. "Đây là dự án đầy thách thức nhưng tôi nghĩ nó khả thi", Chloé Malbrunot, nhà vật lý nghiên cứu về phản vật chất tại CERN, nhận xét.

Phát triển và thử nghiệm công nghệ để tạo ra cái bẫy có thể mang theo được sẽ mất khoảng 4 năm với những lần đo đầu được ấn định vào năm 2022. Nếu phương pháp này được triển khai thì các nhà vật lý có thể chuyển các phản hạt ra ngoài nhiều hơn, qua đó cho phép những nhà nghiên cứu khác dù không tham gia vào sáu thực nghiệm được thực hiện tại nguồn phản hạt proton cũng có thể nghiên cứu và sử dụng loại vật chất khó nắm bắt này.

"Họ có thể thực hiện thí nghiệm một tỷ hạt proton và giữ chúng trong vài tuần càng sớm càng tốt vì nhờ vậy có thêm nhiều thí nghiệm như thế sẽ được triển khai và sẽ có thêm những nhà nghiên cứu với nhữn ý tưởng mới tham gia. Tôi nghĩ điều đó có thể giúp mở ra một lĩnh vực nghiên cứu mới", Malbrunot dự đoán.