Vấn đề phản vật chất
Câu hỏi nóng thứ hai mà các nhà khoa học nêu ra về giây đầu tiên là: Cái gì đã xảy ra với toàn bộ phản vật chất?
Từ những thứ chúng ta đã có thể thấy và ngoại suy về các định luật của tự nhiên, vụ nổ lớn phải tạo ra những lượng hạt vật chất và phản vật chất ngang bằng nhau. Nhưng khi vật chất và phản vật chất gặp nhau, chúng hủy nhau. Trong một vũ trụ 50-50, không có cấu trúc nào có thể phát triển. Vật chất và phản vật chất sẽ hủy nhau hết, chẳng để lại gì ngoài năng lượng thuần túy.
Nhưng bằng cách nào đó, vật chất đã sống sót. Và phản vật chất hầu như chẳng thấy đâu.
“Câu hỏi làm thế nào điều này dẫn tới sự tồn tại của chúng ta có sức hấp dẫn lớn với tôi,” Ramsey-Musolf nói.
Lớp ẩn
Nếu lực thống nhất đã phân chia và vật chất lấn át phản vật chất trong giây đầu tiên, thì các nhà vật lí muốn biết về nó. Một cách là nghiên cứu các điều kiện của vũ trụ sơ khai để tìm xem nó được cấu tạo bởi cái gì.
Toàn bộ năng lượng tồn tại ngày nay đã được tạo ra trong vụ nổ lớn; năng lượng đó không thay đổi. Cái thay đổi là những loại hạt mà chúng ta nhìn thấy.
Cách tạo ra một hạt là biến đổi năng lượng thành khối lượng. Và một hạt càng có khối lượng lớn, thì năng lượng cần thiết để tạo ra nó càng lớn. Khi vũ trụ nhỏ hơn nhiều và toàn bộ năng lượng của vũ trụ tập trung, thì nó có thể tạo ra những hạt khối lượng lớn hơn nhiều so với cái chúng ta thấy ngày nay. Thật vậy, vũ trụ khả kiến hiện nay của chúng ta chỉ gồm những đại diện nhẹ nhất của ba thế hệ hạt.
Biết điều này thì trông có vẻ vô vọng chuyện chúng ta có thể hiểu được vũ trụ là như thế nào trong giây đầu tiên. Nhưng đây là cái bất ngờ: Tất cả những hạt nặng hơn đó vẫn tồn tại, ẩn náu trong một lớp ảo nằm dưới vạn vật mà chúng ta thấy – giống như những đài phát thanh ở các tần số mà các radio của chúng ta không thể thu được.
Ngày nay các nhà vật lí hiểu rằng mỗi hạt thật ra là một gợn năng lượng trong một trường. Một proton là một gợn sóng trong một trường proton; một electron là một gợn sóng trong một trường electron; và vân vân. Các hạt khối lượng lớn đã tồn tại trong vũ trụ sơ khai có lẽ không hiện diện ngày nay, nhưng các trường của chúng – và do đó, khả năng cho các hạt đó xuất hiện – vẫn hiện diện. Chúng ta bị vây quanh bởi các trường của tất cả các hạt đã từng tồn tại.
Các nhà khoa học đã khám phá ra một vài loại hạt khối lượng lớn, nhưng các lí thuyết về một lực thống nhất và sự bất đối xứng của vật chất và phản vật chất dự đoán sự tồn tại của nhiều hạt nữa. Một số dự đoán sự tồn tại của những phiên bản khối lượng lớn của các neutrino, chúng có thể đánh đổ sự mất cân bằng vật chất-phản vật chất. Những lí thuyết khác thì dự đoán một đối hạt cho mỗi hạt mà chúng ta biết.
Các nhà vật lí có thể tìm kiếm các hạt khối lượng lớn theo hai phương pháp. Thứ nhất, họ sử dụng các máy gia tốc để tạo ra năng lượng đủ cao để buộc chúng thoát khỏi nơi ẩn náu. Đây là cách mà lĩnh vực nghiên cứu vật lí hạt đang làm tại các máy gia tốc hạt như Máy Va chạm Hadron Lớn. Khi các hạt năng lượng cao va chạm, năng lượng của chúng có thể biến đổi trong khoảnh khắc thành khối lượng, thỉnh thoảng ở dạng những hạt này.
Nhưng cách làm này bị hạn chế bởi lượng năng lượng mà một máy gia tốc hạt có thể tạo ra. Một cách thứ hai để nghiên cứu các hạt ẩn khối lượng lớn là tìm kiếm chúng một cách gián tiếp.
Những hạt cổ sơ này có thể biến thành vật chất trong khoảnh khắc bên ngoài các va chạm hạt sử dụng vay mượn từ những hạt khác. Khi chúng xuất hiện như vậy, chúng có thể ảnh hưởng đến cách những hạt đó phân hủy hoặc tương tác với những hạt khác. Chúng có thể làm cho các meson – hạt được cấu tạo bởi các quark – phân hủy thành những cặp hạt nhất định với tuần suất cao hơn hoặc thấp hơn trông đợi. Chúng có thể làm cho các neutrino hành xử theo những kiểu ngoài trông đợi hoặc giúp các hạt biến đổi thành những hạt khác. Chúng có thể ảnh hưởng đến cách các neutron hành xử trong một điện trường. Chúng có thể cấp cho các muon sự chao đảo bổ sung để trở nên khả kiến trong một từ trường.
Các nhà khoa học đã tạo ra những lượng lớn những hạt này trong các máy gia tốc để quan sát những hiệu ứng này. Bằng cách tỉ mỉ đo đạc một loại phân hủy hay tương tác nhất định, các nhà khoa học có thể tìm thấy các dấu hiệu của sự gây nhiễu từ một hạt ẩn náu.
Sự kết thúc của thế giới như chúng ta biết
Một số lí thuyết đưa ra một dự đoán hết sức kích thích: các proton, những viên gạch cấu trúc nằm tại tâm của mỗi nguyên tử, cuối cùng sẽ phân hủy.
Không gì phải lo lắng; quá trình thảm kịch này sẽ cần ít nhất một tỉ nghìn tỉ nghìn tỉ năm để phá hủy các nguyên tử của chúng ta. Tuy nhiên, điều đó không có nghĩa là các nhà khoa học sẽ cần chờ lâu như thế mới phát hiện ra một phân hủy.
Việc đo chu kì bán rã của một hạt là bài toán xác suất. Chẳng hạn, nếu bạn có 10 nguyên tử với chu kì bán rã 24 giờ, thì có khả năng bạn sẽ còn lại năm nguyên tử vào cuối ngày. Nhưng năm nguyên tử mà bạn mất sẽ không phân hủy cùng một lúc. Một nguyên tử có thể đã phân hủy ngay sau một giây, và nguyên tử kia có thể phân hủy sau 23 giờ.
Với các proton cũng thế. Một vài proton có lẽ đang phân hủy khi bạn đọc bài này, nhưng chúng ta chưa có các công cụ để quan sát nó. Các thí nghiệm hiện nay và đã lên kế hoạch sẽ khảo sát hơn một tỉ nghìn tỉ nghìn tỉ proton trong các máy dò hạt ở sâu dưới lòng đất nhằm thu được sự phân hủy cực hiếm của hạt này với chu kì bán rã ít nhất 1034 năm – đó là số 1 và 34 con số 0 đằng sau nó. Việc khám phá ra phân hủy proton sẽ là một dấu hiệu mạnh rằng các lí thuyết về sự thống nhất các lực và sự bất đối xứng của vật chất và phản vật chất là đúng.
Các phân bố trên bầu trời
Các nhà vật lí cũng có thể tìm thấy kiến thức mới về giây đầu tiên trong những kiểu hình khác ngoài phông nền vi sóng vũ trụ để lại trên bầu trời.
Trước khi phông nền vi sóng vũ trụ ra đời, vũ trụ có vẻ bị vẩn đục vì nó chứa đầy các hạt tích điện. Ánh sáng bị bắt giữ bên trong món súp vũ trụ đó; nếu nó truyền đi dù là một khoảng cách ngắn, thì nó sẽ bị phản xạ bởi một hạt tích điện. Cuối cùng, vũ trụ nguội đi và trở nên trong suốt khi các hạt kết hợp tạo thành các nguyên tử trung hòa. Ánh sáng thoát ra đó bây giờ là cái chúng ta gọi là phông nền vi sóng vũ trụ. Các nhà khoa học sử dụng các phương pháp gốc-ánh sáng không thể nhìn ngược quá thời điểm đó.
Nhưng có một hạt, neutrino, đủ xảo trá để có thể chọc thủng màn sương đó. Bởi vì các neutrino hiếm khi tương tác với vật chất khác, nên chúng sẽ không bị hấp thu bởi những hạt khác trong vũ trụ đậm đặc, tiền bức xạ vi sóng vũ trụ. Nếu các nhà vật lí có thể nghiên cứu các kiểu phân bố neutrino đến từ vũ trụ sơ khai, thì họ có thể nhìn ngược xa hơn về quá khứ. Các nhà khoa học hiện đang tìm kiếm các phương pháp làm việc này, nhưng họ chưa thành công.
Các nhà vật lí còn hi vọng tìm thấy các kiểu phân bố để lại từ những ngày tháng sơ khai trong các sóng hấp dẫn. Giống như phông nền vi sóng vũ trụ, các sóng hấp dẫn – những gợn sóng lí thuyết trong không thời gian được tạo ra khi một vật thể khối lượng lớn chuyển động – sẽ mang lại một bản đồ của cái vũ trụ trông như thế nào ở những thời điểm sớm hơn nữa. Vì các sóng này sẽ không bị ảnh hưởng bởi tính vẩn đục của vũ trụ sơ khai, nên bản đồ này sẽ mang lại một cái nhìn thoáng qua về những thời khắc rất sớm – sớm đến 10-36 s sau vụ nổ lớn. (Đó là một phần nghìn tỉ nghìn tỉ nghìn tỉ của một giây.) Các nhà nghiên cứu đã xây dựng các máy dò hạt cực nhạy để tìm kiếm các sóng hấp dẫn, nhưng họ chưa tìm thấy chúng.
Đưa lí thuyết vào kiểm tra
Việc giải được bí ẩn của cái đã xảy ra trong giây đầu tiên của vũ trụ đòi hỏi công sức lao động của các nhà lí thuyết lẫn các nhà thực nghiẹm. Các nhà lí thuyết phát minh ra các mô hình và xác định các tiên đoán của chúng; các nhà thực nghiệm đi tới những phương pháp kiểm tra những tiên đoán này; và cùng với nhau, các nhà lí thuyết và các nhà thực nghiệm phân tích các kết quả.
“Trên phương diện thực nghiệm, luôn khó mà nói, ‘Đây chính là cái đã xảy ra,” Chen nói. “Mặt khác, nếu bạn có những mảnh khác nhau của bằng chứng, bạn từ từ có thể ghép các mảnh lại với nhau.”
Trong những năm sắp tới, các nhà khoa học sẽ sử dụng các máy gia tốc hạt và các phép đo chính xác để tìm kiếm các hạt khối lượng lớn đã được dự đoán trong các lí thuyết về giây đầu tiên sau vụ nổ lớn. Họ sẽ sử dụng các máy dò hạt cực nhạy để tìm hiểu về các neutrino, có khả năng làm sáng tỏ những họ hàng khối lượng lớn hơn, vẫn còn đang náu mình của các neutrino, những hạt góp phần làm mất cân bằng giữa vật chất và phản vật chất. Họ sẽ săn tìm các phân bố tương tự với phông nền vi sóng vũ trụ mà các neutrino hay sóng hấp dẫn có thể đã để lại trong sự dãn nở của vũ trụ sơ khai. Và họ sẽ tìm kiếm các hiện tượng đã được dự đoán trong các lí thuyết của họ, ví dụ như phân hủy proton.
Cuối cùng, toàn bộ vật chất không chỉ cho biết chúng ta đã từ đâu đến. Việc trả lời những câu hỏi về nguồn gốc của chúng ta cho chúng ta một bức tranh hoàn chỉnh hơn của cách thức vũ trụ vận hành và giúp chúng ta hiểu được vũ trụ sẽ diễn tiến như thế nào trong tương lai.
Kathryn Jepsen (Symmetry Magazine, tháng 11/2013)
♦ Trần Nghiêm dịch
