Chúng ta đã phát hiện ra một lực lượng mới của tự nhiên chưa? Kết quả mới từ CERN

Trong tháng Ba, Large Hadron Collider (LHC) đã tạo ra sự hứng thú trên toàn cầu khi các nhà vật lý hạt cho biết có bằng chứng hấp dẫn về vật lý mới - có thể là một lực lượng mới của tự nhiên. Bây giờ, kết quả mới của chúng tôi, chưa được xem xét bởi các đồng nghiệp, từ trình kích hạt lớn của Cern dường như đang hỗ trợ thêm ý tưởng này.

Lý thuyết hiện tại tốt nhất của chúng ta về hạt và lực lượng được biết đến với tên gọi là mô hình tiêu chuẩn, mô tả mọi thứ chúng ta biết về vật chất vật lý tạo nên thế giới xung quanh chúng ta với độ chính xác tuyệt vời. Mô hình tiêu chuẩn, không hề nghi ngờ, là lý thuyết khoa học thành công nhất từ trước tới nay nhưng cùng lúc đó, chúng ta biết rằng nó phải còn incomplet.

Nổi tiếng, nó chỉ mô tả ba trong số bốn lực lượng cơ bản - lực điện từ và các lực mạnh và yếu, bỏ qua trọng lực. Nó không giải thích được về vật chất tối mà thiên văn học nói về chiếm ưu thế trong vũ trụ, và không thể giải thích được tại sao vật chất tồn tại trong vụ nổ lớn. Hầu hết các nhà vật lý cho rằng có thể còn các thành phần vũ trụ khác chưa được phát hiện, và nghiên cứu về một loạt các hạt cơ bản được gọi là quark beauty là một cách tiếp cận đặc biệt hứa hẹn để có gợi ý về những gì còn lại ngoài kia.

Quark beauty, đôi khi được gọi là quark dưới, là hạt cơ bản, qua đó tạo nên các hạt lớn hơn. Có sáu loại quark được đặt tên là up, down, strange, charm, beauty/bottom, và truth/top. Ví dụ, quark up và down tạo nên proton và neutron trong hạt nhân nguyên tử.

Quark beauty không ổn định, sống trung bình chỉ khoảng 1,5 tỷ phần tỷ giây trước khi phân rã thành các hạt khác. Cách quark beauty phân rã có thể bị ảnh hưởng mạnh bởi sự tồn tại của các hạt cơ bản hoặc các lực lượng khác. Khi một quark beauty phân rã, nó biến thành một tập hợp các hạt nhẹ hơn, như electron, thông qua ảnh hưởng của lực yếu. Một trong những cách mà một lực lượng mới của tự nhiên có thể tự biết đến chính là thay đổi nhỏ nhẹ cách thức quark beauty phân rã thành các loại hạt khác nhau.

Để đạt được kết quả đó, chúng ta cần giảm thiểu kích thước của sai số và để làm điều này, chúng ta cần nhiều dữ liệu hơn. Một cách để làm điều này đơn giản là thực hiện thí nghiệm trong thời gian dài hơn và ghi lại nhiều phân rã hơn. Thí nghiệm LHCb hiện đang được nâng cấp để có thể ghi lại các va chạm với tốc độ cao hơn trong tương lai, điều này sẽ cho phép chúng ta thực hiện đo lường chính xác hơn rất nhiều. Nhưng chúng ta cũng có thể có thông tin hữu ích từ dữ liệu chúng ta đã ghi lại bằng cách tìm kiếm các loại phân rã tương tự khó nhận biết hơn.

Đây chính là những gì đồng nghiệp và tôi đã thực hiện. Nói một cách chặt chẽ, chúng ta không bao giờ nghiên cứu trực tiếp về phân rã quark quyến rũ, vì tất cả các quark luôn luôn ràng buộc với nhau để tạo ra các hạt lớn hơn. Cuộc nghiên cứu vào tháng Ba nhìn vào các quark quyến rũ được ghép cặp với quark “up”. Kết quả của chúng tôi nghiên cứu hai sự phân rã: một trường hợp khi quark quyến rũ được ghép cặp với quark “down” và một trường hợp khác khi chúng cũng được ghép cặp với quark “up”. Việc ghép cặp khác nhau không nên quan trọng, bởi phân rã đang diễn ra sâu bên trong là giống nhau và vì vậy chúng ta mong đợi sẽ nhìn thấy hiệu ứng tương tự, nếu thực sự có một lực lượng mới tồn tại ở đây.

Đó chính là điều chúng tôi đã thấy. Lần này, phân rã muon chỉ diễn ra khoảng 70% so với phân rã electron nhưng với một sai số lớn hơn, điều này có nghĩa là kết quả này cách “hai sigma” so với mô hình tiêu chuẩn (khoảng hai trên một trăm cơ hội là một hiện tượng thống kê). Điều này có nghĩa là trong khi kết quả này không đủ chính xác để tự mình khẳng định rõ ràng có bằng chứng cho một lực lượng mới, nhưng nó lại rất gần với kết quả trước đó và thêm sự hỗ trợ cho ý tưởng rằng chúng ta có thể đang ở bên bờ của một bước tiến lớn.

Bài viết này của Harry Cliff, Nhà vật lý hạt, Đại học Cambridge, được tái bản từ The Conversation dưới giấy phép Creative Commons. Đọc bài viết gốc.