Một hạt phản vật chất được giữ lại suốt nhiều tháng
Phản vật chất là dạng vật chất gồm các phản hạt có những đặc tính đối ứng với hạt thông thường; khi gặp vật chất, chúng có thể hủy cặp và giải phóng năng lượng. Gần đây, nhóm vật lý tại Đại học Northwestern do Gerald Gabrielse dẫn đầu đã giam giữ một hạt positron đơn lẻ trong nhiều tháng, tạo ra cơ hội hiếm có để khảo sát phản vật chất mà không phá hủy mẫu thử ngay sau mỗi phép đo. Positron là phản hạt mang điện tích dương của electron. Thành tựu này đáng chú ý không chỉ vì thời gian lưu giữ, mà vì nó giúp biến một đối tượng vốn khó kiểm soát thành hệ lượng tử có thể đo lặp lại. Thí nghiệm được công bố trên một tạp chí khoa học chuyên ngành, đánh dấu tiến bộ trong nghiên cứu một câu hỏi lớn của vật lý: vì sao vũ trụ quan sát được gần như toàn là vật chất thông thường?
Bẫy chân không siêu lạnh thay cho chiếc bình có thành
Không thể đặt positron vào một vật chứa thông thường: chỉ cần chạm vào thành bình hoặc va chạm với vật chất, hạt có thể bị hủy cùng đối hạt. Thay vào đó, nhóm nghiên cứu dùng bẫy chân không siêu lạnh, kết hợp điện trường và từ trường để treo hạt trong không gian, tránh mọi bề mặt vật chất. Buồng chân không được làm lạnh xuống 0,3 độ trên độ không tuyệt đối; từ trường đạt 5,6 tesla cùng các điện cực giữ positron ở vùng trung tâm. Để đưa hạt vào bẫy, nhóm tạo positron từ sự phân rã phóng xạ của natri-22, làm giảm động năng của nó rồi tạm thời ghép với electron thành positronium trung hòa. Khi cặp này vào buồng, điện trường tách electron ra, để lại positron đơn độc. Quy trình đòi hỏi kiểm soát tinh vi, nhưng khi đã được giữ ổn định, hạt có thể tồn tại trong bẫy suốt nhiều tháng.
Từ giam giữ đến điều khiển trạng thái lượng tử
Giá trị lớn nhất của thiết bị không nằm ở việc giữ một hạt thật lâu, mà ở khả năng khảo sát nó mà không làm mất mẫu. Khi positron ở gần trạng thái năng lượng thấp nhất, các nhà khoa học có thể tạo ra những thay đổi có kiểm soát trong hành vi lượng tử của nó. Những xung vi sóng được hiệu chỉnh chính xác cho phép kích thích hạt chuyển giữa các mức năng lượng và đảo chiều spin mà không làm xáo trộn trạng thái cần đo. Đây là nền tảng cho một thí nghiệm vật lý hạt có thể lặp phép đo trên cùng một positron, thay vì phải tạo hạt mới sau mỗi lần thử. Bước tiếp theo là đo mô men từ của positron để so sánh với electron. Thiết bị mới được kỳ vọng nâng độ chính xác của phép đo positron lên khoảng 30 lần so với khả năng trước đây.
Manh mối cho bí ẩn vật chất thống trị vũ trụ
Theo lý thuyết, vũ trụ sơ khai phải tạo ra vật chất và phản vật chất với lượng tương đương; nếu vậy, hai dạng hạt sẽ hủy lẫn nhau, nhưng vũ trụ ngày nay lại chứa chủ yếu vật chất thông thường. Vì thế, việc đo positron chính xác hơn không lập tức giải thích nguồn gốc các thiên hà hay sự sống, nhưng có thể kiểm tra một mắt xích nền tảng: liệu vật chất và phản vật chất có thực sự tuân theo những quy luật đối xứng như dự đoán hay không. Electron và positron được cho là có cùng khối lượng, còn điện tích trái dấu; phép so sánh mô men từ sẽ kiểm tra sâu hơn mức độ tương đồng ấy. Cho đến nay, thiết bị mới chưa phát hiện khác biệt bất ngờ, nhưng nó cải thiện khả năng tìm ra sai lệch nhỏ. Nếu các phép đo tương lai cho thấy positron phản ứng với từ trường khác electron, những định luật hiện dùng để giải thích vật chất và phản vật chất có thể phải được xem xét lại.
