Vi phạm đối xứng điện tích-chẵn lẻ

Một trong những câu đố lớn đối với các nhà khoa học là tại sao trong vũ trụ có nhiều vật chất hơn phản vật chất – tức là lí do chúng ta tồn tại.

Hóa ra câu trả lời cho câu hỏi này có liên hệ sâu sắc với sự phá vỡ các định luật bảo toàn cơ bản của lĩnh vực vật lí hạt sơ cấp. Việc khám phá những vi phạm này có một lịch sử phong phú, bắt đầu từ năm 1956.

Vi phạm chẵn-lẻ

Mọi chuyện bắt đầu với một nghiên cứu đứng đầu bởi nhà khoa học Chien-Shiung Wu thuộc trường Đại học Columbia. Bà và đội của mình đang nghiên cứu sự phân rã của cobalt-60, một đồng vị không bền của nguyên tố cobalt. Cobalt-60 phân rã thành một đồng vị khác, nickel-60, và trong quá trình đó, nó phát ra một electron và một phản neutrino electron. Đồng vị nickel-60 sau đó phát ra một cặp photon.

Định luật bảo toàn đang được kiểm tra là bảo toàn số chẵn-lẻ, nó phát biểu rằng các định luật vật lí phải bất biến nếu ta đảo dấu của toàn bộ các tọa độ không gian của một hạt. Thí nghiệm quan sát thấy sự phân rã của cobalt-60 theo hai sắp xếp là ảnh qua gương của nhau.

Sự giải phóng photon trong phân rã là một quá trình điện từ, và các quá trình điện từ đã được chứng minh là bảo toàn số chẵn-lẻ. Nhưng việc giải phóng electron và phản neutrino electron là một quá trình phân rã phóng xạ, được trung chuyển bởi lực yếu. Những quá trình như vậy trước đây chưa được kiểm tra theo cách này.

Sự bảo toàn chẵn-lẻ đòi hỏi rằng, trong thí nghiệm này, các electron phải được phát ra cùng chiều và cùng tỉ lệ với các photon.

Nhưng Wu và đội của bà tìm thấy điều ngược lại. Điều này có nghĩa là tự nhiên đang chơi đùa theo sở thích. Sự chẵn-lẻ, hay đối xứng P, bị vi phạm.

Hai nhà lí thuyết, Lý Chính Đạo và Dương Chấn Ninh, hai người đề xuất kiểm tra sự chẵn-lẻ theo kiểu này, đã cùng nhận giải Nobel vật lí năm 1957 cho khám phá trên.

Ảnh minh họa:  Reidar Hahn, Fermilab

Vi phạm điện tích-chẵn lẻ

Nhiều nhà khoa học cảm thấy bối rối trước khám phá vi phạm chẵn lẻ, theo lời Ulrich Nierste, một nhà vật lí lí thuyết tại Viện Công nghệ Karlsruhe ở Đức.

“Các nhà vật lí khi ấy bắt đầu nghĩ rằng có lẽ lâu nay họ đã nhìn nhầm đối xứng.”

Kết quả trên có các hiệu ứng lan tỏa. Trước tiên, các nhà khoa học rút kinh nghiệm rằng một đối xứng nữa mà họ nghĩ là cơ bản – liên hợp điện tích, hay đối xứng C – cũng phải bị vi phạm.

Liên hợp điện tích là một đối xứng giữa các hạt và phản hạt của chúng. Khi áp dụng cho các hạt có một tính chất gọi là spin, như các quark và electron, các biến đổi C và P mâu thuẫn với nhau.

Điều này có nghĩa riêng từng đối xứng thì không tốt nếu một trong hai bị vi phạm. Nhưng, các nhà khoa học nghĩ, sự kết hợp hai đối xứng – gọi là đối xứng CP – vẫn có thể được bảo toàn. Nếu đúng như vậy thì sẽ có ít nhất một đối xứng giữa hành trạng của các hạt và các đối hạt phản vật chất tích điện trái dấu của chúng.

Lạy Chúa, điều này cũng không phải. Vào năm 1964, một nhóm nghiên cứu đứng đầu bởi James Cronin và Val Fitch đã khám phá trong một thí nghiệm tại Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven rằng đối xứng CP cũng bị vi phạm.

Đội đã nghiên cứu sự phân hủy của các kaon trung hòa thành pion; cả hai đều là hạt phức được tạo bởi một quark và một phản quark. Các kaon trung hòa gồm hai phiên bản có thời gian sống khác nhau: một phiên bản thời gian sống ngắn chủ yếu phân hủy thành hai pion và một phiên bản thời gian sống dài khi phân hủy để lại ba pion.

Tuy nhiên, Cronin, Fitch cùng các đồng sự của họ tìm thấy rằng, các kaon thời gian sống dài, hiếm gặp, cũng phân hủy thành hai thay vì ba pion, nó đòi hỏi đối xứng CP bị phá vỡ.

Việc khám phá vi phạm CP được ghi nhận với Giải Nobel vật lí năm 1980. Và nó đưa đến nhiều khám phá hơn nữa.

Nó đã thúc đẩy các nhà lí thuyết Makoto Kobayashi và Toshihide Maskawa vào năm 1973 dự đoán sự tồn tại của một thế hệ mới của các hạt sơ cấp. Lúc ấy, người ta chỉ mới biết hai thế hệ hạt. Trong vòng vài năm, các thí nghiệm tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC đã tìm thấy hạt tau – thế hệ thứ ba của một nhóm gồm electron và muon. Sau đó, các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia Fermi khám phá một thế hệ thứ ba của quark – quark bottom (đáy) và quark top (đỉnh).

Đào sâu vào vi phạm CP

Vào cuối thập niên 1990, các nhà khoa học tại Fermilab và phòng thí nghiệm châu Âu CERN tìm thấy thêm bằng chứng của sự vi phạm CP trong sự phân hủy của các kaon trung hòa. Và bắt đầu vào năm 1999, thí nghiệm BaBar tại SLAC và thí nghiệm Belle tại KEK ở Nhật Bản bắt đầu khảo sát sự vi phạm CP trong phân hủy của các hạt phức gọi là meson B.

Bằng cách phân tích hàng tá loại phân hủy meson B khác nhau, các nhà khoa học BaBar và Belle đã làm rõ những khác biệt nhỏ ở cách thức meson B và đối hạt của chúng phân hủy. Các kết quả khớp với dự đoán của Kobayashi và Maskawa, và vào năm 2008 công trình của họ đã được ghi nhận bởi nửa giải thưởng Nobel vật lí.

“Nhưng việc kiểm tra số liệu thực nghiệm có ăn khớp với lí thuyết hay không chỉ là một trong các mục tiêu của chúng tôi,” phát ngôn viên BaBar, Michael Roney thuộc trường Đại học Victoria ở Canada. “Chúng tôi còn muốn tìm xem có nhiều vi phạm CP hơn chúng ta biết hay không.”

Đây là do những thí nghiệm này đang tìm kiếm câu trả lời cho một câu hỏi lớn: Tại sao chúng ta có mặt ở đây?

Khi vũ trụ ra đời trong vụ nổ lớn hồi 14 tỉ năm trước, nó phải tạo ra vật chất và phản vật chất với số lượng ngang nhau. Nếu tự nhiên hành xử với cả hai giống hệt nhau, thì vật chất và phản vật chất phải hủy lẫn nhau, chẳng để lại gì ngoài năng lượng.

Thế nhưng, vũ trụ của chúng ta bị át trội bởi vật chất.

Sự vi phạm CP là thiết yếu để giải thích sự mất cân bằng này. Tuy nhiên, lượng vi phạm CP đã quan sát thấy trong các thí nghiệm vật lí hạt sơ cấp cho đến nay là quá nhỏ.

Các nghiên cứu hiện tại và tương lai

Mới đây, BaBar và Belle đã kết hợp kho dữ liệu của họ trong một bài báo phân tích chung: Quan sát đầu tiên của sự vi phạm CP ở các phân hủy B0->D(*)CP h0 bằng cách phân tích độc lập thời gian kết hợp số liệu BaBar và Belle. Bài báo làm sáng tỏ sự vi phạm CP lần đầu tiên ở một họ phân hủy meson B mà mỗi thí nghiệm không thể phân tích riêng do hạn chế thống kê của mỗi bên.

Nghiên cứu này và tất cả những nghiên cứu khác tính cho đến nay đều ăn khớp với lí thuyết chuẩn. Nhưng các nhà nghiên cứu còn lâu mới từ bỏ hi vọng tìm kiếm các hành trạng bất ngờ trong quá trình bị chi phối bởi sự vi phạm CP.

Thí nghiệm Belle II trong tương lai, hiện đang xây dựng tại KEK, sẽ tạo ra các meson B với tốc độ cao hơn nhiều so với tiền bối của nó, cho phép các nghiên cứu vi phạm CP tương lai với độ chính xác cao hơn.

Và thí nghiệm LHCb tại Máy Va chạm Hadron Lớn thuộc CERN đang tiếp tục các nghiên cứu meson B, trong đó có những meson nặng hơn chỉ hiếm khi được tạo ra trong các thí nghiệm BaBar và Belle. Thí nghiệm này sẽ được nâng cấp trong tương lai để thu thập dữ liệu với tốc độ gấp 10 lần hiện nay.

Cho đến nay, sự vi phạm CP chỉ mới được quan sát thấy ở các hạt được cấu tạo bởi các quark.

“Chúng ta biết rằng các loại vi phạm CP đã được chứng kiến sử dụng một số phân hủy quark là không thể giải thích sự thống trị của vật chất trong vũ trụ,” phát biểu của Sheldon Stone thuộc trường Đại học Syracuse, thành viên đội LHCb. “Cho nên câu hỏi đặt ra là: Liệu ta còn có thể tìm thấy vi phạm CP ở đâu khác hay không?”

Một nơi cho nó ẩn náu có thể là trong phân hủy của boson Higgs. Một nơi khác để tìm kiếm vi phạm CP là trong hành trạng của các lepton sơ cấp – electron, muon, tau và các neutrino đi cùng của chúng. Nó cũng có thể xuất hiện trong các loại khác nhau của phân hủy quark.

“Để giải thích sự tiến hóa của vũ trụ, chúng ta sẽ cần một lượng lớn vi phạm CP nữa,” Nierste cho biết. “Có khả năng cơ chế này liên quan đến những hạt chưa biết có khối lượng quá lớn nên chúng ta chưa từng có thể tạo ra chúng trên Trái đất.”

Những khối lượng lớn như vậy đã được tạo ra trong vũ trụ sơ khai và có thể liên hệ với sự thiếu phản vật chất trong vũ trụ ngày nay. Các nhà nghiên cứu tìm kiếm vi phạm CP ở các neutrino nhẹ hơn nhiều, chúng có thể đem đến cho chúng ta một cái nhìn thoáng qua về sự vi phạm lớn hơn có thể có ở những khối lượng lớn.

Việc tìm kiếm vẫn đang tiếp tục

Nguồn: Symmetry Magazine