Lần đầu tiên vận chuyển thành công 92 hạt phản proton siêu hiếm

3 giờ trướcBài gốc

Kết quả thử nghiệm này đánh dấu một bước tiến quan trọng, mở đường cho tham vọng đưa các hạt vi mô mang phản vật chất này đến nhiều trung tâm nghiên cứu khác trên khắp châu Âu. Việc đưa những hạt có đặc tính tự hủy diệt ra khỏi môi trường kiểm soát tĩnh là một rào cản kỹ thuật khổng lồ mà nhân loại vừa bước đầu chinh phục.

Giải mã bất đối xứng vũ trụ và bài toán lưu giữ hạt mang điện

Đội ngũ nghiên cứu đứng sau dự án BASE đã làm nên điều kỳ diệu khi "bẫy" thành công 92 hạt phản proton bên trong một thiết bị đông lạnh cầm tay có tên gọi là bẫy Penning. Quá trình này đòi hỏi sự chính xác tuyệt đối ở cấp độ lượng tử. Các chuyên gia đã ngắt kết nối thiết bị chứa hạt khỏi hệ thống máy chủ, cẩn thận đưa nó lên một chiếc xe tải thông thường và khôi phục lại toàn bộ hoạt động bình thường sau khi kết thúc chuyến đi.

Dưới góc độ khoa học, sự khác biệt lớn nhất giúp dự án này thành công nằm ở bản chất của phản proton. Khác với các phản nguyên tử trung hòa về điện như phản hydro vốn cực kỳ khó lưu giữ và thường chỉ tồn tại trong thời gian rất ngắn (kỷ lục là 16 phút) trước khi va chạm với thành thiết bị, phản proton là một hạt mang điện tích âm (do cấu tạo bởi 2 phản quark up và 1 phản down). Chính điện tích này cho phép các nhà khoa học sử dụng bẫy Penning để tạo ra điện trường và từ trường mạnh, "khóa" chặt hạt lơ lửng ở môi trường chân không tuyệt đối. Nhờ vậy, BASE đã từng thiết lập kỷ lục duy trì sự tồn tại của phản proton tĩnh trong khoảng 400 ngày.

Nguyên tử hydro gồm hạt nhân là proton và đám mây eletron xung quanh. Còn phản nguyên tử hydro có phản proton là nhân và đám mây positron xung quanh

Chuyến đi thực nghiệm này đóng vai trò như một đợt chạy đà hoàn hảo cho một sứ mệnh vĩ mô hơn. Mục tiêu dài hạn của nhóm nghiên cứu là gửi các hạt phản proton đến các phòng thí nghiệm bên ngoài lãnh thổ Thụy Sĩ, tiêu biểu như Đại học Heinrich Heine Düsseldorf tại Đức. Tại những cơ sở mới này, các nhà nghiên cứu kỳ vọng có thể tiến hành đo lường các đặc tính vật lý của hạt với độ chính xác cao hơn rất nhiều. Sự khắt khe này bắt nguồn từ những đặc tính cơ bản của phản vật chất.

Theo mô hình vũ trụ học tiêu chuẩn, vụ nổ Big Bang khai sinh ra vũ trụ lẽ ra phải tạo ra một lượng vật chất và phản vật chất hoàn toàn bằng nhau. Nếu sự đối xứng tuyệt đối đó được duy trì, vật chất và phản vật chất đã triệt tiêu lẫn nhau hoàn toàn, để lại một khoảng không trống rỗng. Thực tế quan sát lại cho thấy vũ trụ ngày nay bị thống trị hoàn toàn bởi vật chất thông thường, một sự chênh lệch khổng lồ vẫn luôn làm đau đầu nhiều thế hệ nhà vật lý học.

Dự án BASE tìm kiếm câu trả lời bằng cách so sánh tỉ mỉ các hạt phản proton với các hạt proton tương ứng. Vấn đề cốt lõi cản trở quá trình nghiên cứu ngay tại CERN chính là độ chính xác của môi trường. Nhà nghiên cứu Stefan Ulmer giải thích rằng những sự dao động từ trường ngay tại nhà máy sản xuất phản vật chất của tổ chức đã giới hạn giới hạn đo lường của họ. Những dao động này vô cùng nhỏ, chỉ khoảng một phần tỉ của đơn vị tesla, nhưng vẫn thừa sức làm sai lệch kết quả của các thí nghiệm siêu nhạy. Việc di chuyển toàn bộ thiết bị nghiên cứu ra khỏi cơ sở hiện tại có thể giúp giảm thiểu đáng kể những sự nhiễu loạn từ trường không mong muốn này.

Hệ thống BASE-STEP và những thách thức kỹ thuật trên hành trình vạn dặm

Cơ sở sản xuất phản vật chất của CERN hiện là một hệ thống độc nhất vô nhị trên thế giới. Máy giảm tốc phản proton và hệ thống ELENA của họ thực hiện nhiệm vụ làm chậm tốc độ bay của các hạt phản proton để chúng có thể được lưu giữ và đưa vào nghiên cứu. Để đưa những hạt này di chuyển trên các tuyến đường giao thông, các nhà nghiên cứu đã chế tạo một hệ thống vận chuyển nguyên khối mang tên BASE-STEP.

Khi một proton đập vào một phản proton thì quá trình phá hủy sẽ diễn ra ở cấp độ quark khi các phản quark triệt tiêu ra năng lượng và có thể chuyển hóa thành các hạt meson

Toàn bộ cỗ máy này có trọng lượng khoảng một tấn, chứa đựng một nam châm siêu dẫn cực mạnh, một hệ thống làm mát bằng phương pháp đông lạnh sử dụng heli lỏng, một buồng chân không và một nguồn cung cấp năng lượng hoạt động hoàn toàn độc lập. Các kỹ sư đã tính toán vô cùng tỉ mỉ để cỗ máy có kích thước đủ gọn nhằm lọt qua các cánh cửa phòng thí nghiệm tiêu chuẩn, đồng thời phải sở hữu kết cấu đủ vững chắc để chịu đựng những rung lắc liên tục trong suốt một hành trình dài.

Tham vọng lớn nhất của nhóm là cung cấp trực tiếp phản proton cho các phòng thí nghiệm chính xác chuyên dụng, bao gồm các cơ sở tại Düsseldorf và Đại học Leibniz Hannover. Nhà khoa học Christian Smorra khẳng định rằng những gì họ đạt được thông qua chuyến đi thử nghiệm vừa qua là một bước tiến vĩ đại đưa toàn bộ dự án đến gần hơn với mục tiêu cuối cùng. Dù vậy, con đường phía trước vẫn còn trải đầy rẫy những thách thức kỹ thuật cam go.

Một chuyến đi thực tế từ cơ sở của CERN đến Düsseldorf sẽ kéo dài ít nhất tám giờ đồng hồ. Trong suốt khoảng thời gian đằng đẵng đó, thiết bị bẫy hạt bắt buộc phải được duy trì ở mức nhiệt độ cực thấp, dưới 8,2 kelvin. Yêu cầu khắt khe này ngốn một lượng lớn heli lỏng và đòi hỏi một nguồn năng lượng bổ sung liên tục để duy trì hoạt động cho hệ thống làm mát gắn trên thùng xe tải. Phần khó nhằn nhất của toàn bộ quá trình có thể lại nằm ở khâu cuối cùng: chuyển giao thành công các hạt phản proton từ hệ thống vận chuyển vào một thiết bị thí nghiệm hoàn toàn mới mà không để xảy ra hiện tượng triệt tiêu hạt.

Bất chấp những rào cản kỹ thuật to lớn đó, hướng đi của giới khoa học hiện nay đã trở nên vô cùng rõ ràng và kiên định. Chuyên gia Gautier Hamel de Monchenault nhận định rằng việc vận chuyển hạt mang phản vật chất là một dự án đầy khát vọng và mang tính tiên phong đột phá. Đối với những nhà vật lý học đang dành cả cuộc đời để theo đuổi một trong những bí ẩn lâu đời nhất của vũ trụ, những chuyến xe tải mang theo phản proton này có thể sẽ trở thành chìa khóa thiết yếu nhất để mở ra cánh cửa tri thức mới.

Bùi Tú

Nguồn Một Thế Giới : https://1thegioi.vn/lan-dau-tien-van-chuyen-thanh-cong-92-hat-phan-proton-sieu-hiem-249338.html