Một Sự Mất Cân Bằng Trong Những Hạt Nhỏ Mang Lại Một Gợi Ý Lớn Về Vũ Trụ

Các nhà vật lý đã phát hiện bằng chứng mạnh nhất cho đến nay về sự khác biệt trong hành vi giữa các hạt cơ bản được gọi là neutrinos và những người anh em hình ảnh gương của chúng, antineutrinos. Sự không đối xứng này có thể là chìa khóa giải đáp tại sao so với antimatter, đã xuất hiện nhiều hơn trong Sự Nổ Lớn—điều này làm rõ hơn vì sao mọi thứ tồn tại ngày nay, vì chất và antimatter trong tỷ lệ bằng nhau sẽ bị hủy diệt lẫn nhau.

“Điều này là một dấu hiệu cho thấy có sự không đối xứng lớn giữa neutrinos và antineutrinos,” nói Deborah Harris, một nhà vật lý neutrino tại Trung tâm gia tốc Fermi ở Illinois và Đại học York ở Canada, người không tham gia vào công việc nghiên cứu này. “Điều này quan trọng,” bà nói, vì “chúng ta đang cố gắng tìm hiểu quá trình nào có thể đã làm nghiêng cân về lợi ích của chất lỏng hơn antimatter.”

“Tôi rất hào hứng vì đây là lần đầu tiên chúng ta có những biểu hiện rõ ràng,” nói Federico Sanchez Nieto của Đại học Geneva, một trong những người phát ngôn cho thí nghiệm T2K tại Nhật Bản, đã báo cáo kết quả này trên tạp chí Nature.

Đội ngũ T2K bắt đầu nhận thấy dấu hiệu của sự không đồng đều trong hành vi của neutrinos và antineutrinos từ năm 2016. Kết quả mới của họ, sau nhiều năm thu thập dữ liệu bổ sung và cải tiến kỹ thuật phân tích dữ liệu, đạt đến một mức thống kê được các nhà vật lý xem là bằng chứng chính thức về một hiệu ứng vật lý. “Tầm quan trọng của hiệu ứng tăng lên với dữ liệu thu thập được, đó là điều mà người ta mong đợi khi kết quả là chính xác,” nói Werner Rodejohann, một nhà vật lý neutrino tại Viện Max Planck về Vật lý Hạt nhân ở Đức, người không tham gia vào thí nghiệm.

Và trong khi những thí nghiệm thế hệ tiếp theo sẽ cần thu thập đủ dữ liệu để khẳng định một phát hiện, bằng chứng đang tích lũy nhanh chóng hơn nhiều so với những gì các nhà thử nghiệm mong đợi, vì neutrinos và antineutrinos có vẻ khác biệt nhiều nhất có thể. “Tự nhiên dường như rất tốt bụng với chúng ta,” Rodejohann nói.

Neutrinos có mặt khắp nơi nhưng bí ẩn, dễ tạo ra nhưng khó bắt gặp. Chúng phun ra từ các phản ứng hạt nhân trong mặt trời và ngôi sao và xâm nhập qua cơ thể chúng ta theo hàng nghìn tỷ mỗi giây. Những hạt siêu nhẹ này quá khó bắt gặp đến nỗi các đặc tính của chúng vẫn đang được khám phá.

Các thí nghiệm từ những năm 1990 cho thấy khi neutrinos và antineutrinos bay đi, chúng biến đổi giữa ba loại, hoặc “hương vị,” được đặt tên là electron, muon và tau.

Kể từ năm 2010, các nhà khoa học T2K đã tạo ra neutrinos và antineutrinos có hương vị muon ở Tokai, Nhật Bản, và phát chúng 295 kilômét đến Kamioka—nơi đặt trạm quan sát neutrinos Super-Kamiokande, một bể chứa 50,000 tấn nước tinh khiết dưới lòng đất với hàng ngàn cảm biến. Đôi khi, khi đến nơi, một trong những hạt bí ẩn này tương tác với một nguyên tử bên trong bể và tạo ra một đợt bắn tia đặc trưng của tia xạ. Các nhà khoa học săn lùng những neutrinos và antineutrinos đã dao động từ hương vị muon sang hương vị electron trong hành trình chéo quốc gia của chúng.

Dữ liệu ngụ ý rằng neutrinos có xác suất cao hơn antineutrinos trong việc dao động, một sự khác biệt được biểu hiện bằng một lượng gọi là pha vi phạm CP. Nếu pha này bằng không và neutrinos cũng antineutrinos cư xử giống nhau, thì thí nghiệm sẽ phát hiện được khoảng 68 neutrinos electron và 20 antineutrinos electron. Thay vào đó, nó đã phát hiện 90 neutrinos electron và chỉ có 15 antineutrinos electron—kết quả lệch lạc cao cho thấy pha vi phạm CP có thể lớn nhất có thể lý thuyết.

“Chúng tôi đã thắp nến đầu tiên,” nói Sanchez Nieto, “nhưng giải thưởng lớn”—phát hiện xác định về vi phạm CP—“vẫn đang đến.”

Vi phạm CP giữa neutrinos hỗ trợ một lý thuyết về cách chất lỏng đã chiếm ưu thế trong vũ trụ từ rất sớm. Lý thuyết này liên quan đến một đặc tính nổi bật khác của neutrinos: Chúng tất cả đều “trái tay,” có nghĩa là một neutrino bắn về phía bạn sẽ luôn xoay theo chiều kim đồng hồ. Tất cả antineutrinos, trong khi đó, đều là “phải tay”; chúng xoay theo chiều ngược chiều kim đồng hồ.

Xét về điều này, cùng với sự thực rằng neutrinos có lượng khối inexplicably nhỏ, các chuyên gia nghi ngờ rằng neutrinos và antineutrinos đã từng có các đối tác siêu nặng với chiều tay ngược nhau—neutrinos phải và antineutrinos trái tay. Những hạt siêu khối lượng này chỉ có thể hình thành trong vũ trụ sớm, năng động và nóng bỏng, nơi chúng sẽ nhanh chóng phân rã thành các hạt nhẹ hơn. Nhưng nếu chúng phân rã một cách không đối xứng, chúng có thể dễ dàng tạo ra sự dư thừa chất lỏng làm cho cuộc sống và vũ trụ có thể xảy ra ngày nay.

Nếu lý thuyết “bàn nhảy” này là đúng, bất kỳ vi phạm CP nào giữa neutrinos và antineutrinos nhẹ có lẽ sẽ được phản ánh bởi các đối tác nặng của chúng. “Rất khó để đưa ra một lý thuyết nơi có vi phạm CP ở neutrinos nhẹ nhưng không có vi phạm CP ở neutrinos nặng,” Harris nói.

Thí nghiệm NOvA tại Hoa Kỳ cũng đang đo lường sự dao động của neutrinos và tìm kiếm gợi ý về vi phạm CP. Tuy nhiên, ngay cả khi kết quả của họ được kết hợp, NOvA và T2K vẫn không đạt được sự chắc chắn thống kê. Các thí nghiệm lớn hơn trong tương lai—một trong số đó là DUNE tại Hoa Kỳ sẽ bắt đầu hoạt động vào năm 2027, cũng như người kế nhiệm được kế hoạch của T2K, được biết đến với tên gọi T2HK—nên có thể xác định giá trị của pha vi phạm CP. “Kết quả của T2K ngụ ý rằng chúng ta sống trong một vũ trụ nơi thế hệ tiếp theo của các thí nghiệm sẽ có thể đưa ra một đo lường mà chúng ta sẽ phân loại là một phát hiện về vi phạm CP,” Harris nói.

Trong khi đó, một đo lường quan trọng khác sẽ cần thiết để củng cố việc rằng những neutrinos phải tay nặng và antineutrinos trái tay nhẹ này đã tồn tại trong vũ trụ sớm, và phân rã của chúng đã tạo ra vũ trụ chứa đầy chất lỏng mà chúng ta thấy. Các nhà vật lý đang tìm kiếm một sự phân rã hạt nhân cực kỳ hiếm hoi có thể xảy ra nếu kịch bản này là đúng. Nhưng cho đến nay, cuộc tìm kiếm đó vẫn trống rỗng. “Ở đây tự nhiên dường như không ưa chúng ta,” Rodejohann nói.

Câu chuyện gốc được tái bản với sự cho phép từ Tạp chí Quanta, một tờ báo độc lập biên tập của Quỹ Simons, có nhiệm vụ làm tăng cường sự hiểu biết của công chúng về khoa học bằng cách bao gồm các phát triển nghiên cứu và xu hướng trong toán học và các ngành khoa học tự nhiên và đời sống.