Sự Bí Ẩn của Hạt Nhân Helium: Vì Sao Nó Không Tương Thích với Lý Thuyết?

Helium là một trong những nguyên tố đơn giản nhất của tự nhiên, nhưng nó gây khó hiểu cho các nhà khoa học. Kết quả thực nghiệm cho thấy các proton và neutron trong nguyên tử helium có hành vi không nhất quán so với dự đoán lý thuyết, điều này có thể gợi ý về sự tồn tại của vật lý mới bên ngoài Mô hình Chuẩn.

Helium là nguyên tố phổ biến thứ hai trong vũ trụ, ngay sau hydrogen. Nó cũng là loại khí hiếm nhẹ nhất trên Trái Đất và thường được sử dụng trong các ứng dụng điện lạnh và y tế. Hạt nhân của helium rất đơn giản, chỉ bao gồm hai proton và hai neutron, được gọi là helium-4. Tuy nhiên, chính hạt nhân đơn giản này đã đặt ra một thách thức cho các nhà khoa học: hành vi của nó không tương thích với các dự đoán lý thuyết.

Các dự đoán lý thuyết được xây dựng trên Mô hình Chuẩn, một bộ phương trình toán học mô tả các hạt cơ bản và tương tác giữa chúng. Mô hình Chuẩn là một trong những lý thuyết thành công nhất trong vật lý, có khả năng giải thích hầu hết các hiện tượng thực nghiệm, bao gồm một số hạt kỳ lạ trong vật lý năng lượng cao, như boson Higgs.

Tuy nhiên, Mô hình Chuẩn không phải là hoàn hảo và vẫn còn một số vấn đề chưa được giải thích, bao gồm bản chất của vật chất tối và năng lượng tối, cũng như lượng tử hóa của lực hấp dẫn. Vì vậy, các nhà vật lý đã tìm kiếm một lý thuyết mới bên ngoài Mô hình Chuẩn, đó là các lý thuyết mới hoặc các hạt mới có thể sửa đổi hoặc vượt qua Mô hình Chuẩn.

Hoạt động của hạt nhân helium có thể là một bước đột phá, có khả năng mở ra một lĩnh vực vật lý mới mà Mô hình Chuẩn không thể giải thích. Phát hiện này dựa trên một thí nghiệm gần đây sử dụng một kỹ thuật đặc biệt để xâm nhập vào các nguyên tử helium bằng chùm tia điện tử, làm cho hạt nhân của nó đi vào trạng thái kích thích.

Kỹ thuật này đo lường phản ứng của proton và neutron trong hạt nhân helium với chùm tia điện tử, tiết lộ cấu trúc và tương tác bên trong của chúng. Tuy nhiên, kết quả thí nghiệm khác biệt đáng kể so với các dự đoán lý thuyết, cho thấy rằng sự hiểu biết của chúng ta về hạt nhân helium vẫn còn nhiều hạn chế.

Cốt Lõi của Thí Nghiệm Là Máy Gia Tốc Electron, Tạo Ra Chùm Electron Năng Lượng Cao để Nghiên Cứu Hạt Nhân Nguyên Tử. Nguyên Lý của Máy Gia Tốc Electron Là Sử Dụng Điện Trường Gia Tốc Electron Gần Bằng Tốc Độ Ánh Sáng, sau đó Dùng Từ Trường Hội Tụ và Dẫn Hướng Chùm Electron, Cuối Cùng Chiếu Chùm Electron vào Vật Liệu Mục Tiêu để Quan Sát Tương Tác với Hạt Nhân Nguyên Tử.

Vật Liệu Mục Tiêu của Thí Nghiệm Là Một Thùng Chứa Khí Helium, Đặt trong Buồng Chân Không để Ngăn Chùm Tia Điện Tử Va Chạm với Các Phân Tử Khác trong Không Khí. Khi Chùm Electron Chạm vào Nguyên Tử Helium, Nó Sẽ Đẩy Hạt Nhân Helium vào Trạng Thái Kích Thích Đặc Biệt Gọi Là Trạng Thái Kích Thích Đơn Cực Cân Bằng.

Trạng Thái Này Được Đặc Trưng Bởi Sự Thay Đổi Bán Kính Của Hạt Nhân Helium Theo Thời Gian, Giống Như Một Quả Cầu Giãn Nở rồi Lạ Co Vào. Trạng Thái Này Rất Không Ổn Định và Nhanh Chóng Phân Hủy Trở Lại thành Hạt Nhân Helium Bình Thường, Giải Phóng Năng Lượng.

Mục Đích của Thí Nghiệm là Đo Các Tính Chất của Hạt Nhân Helium ở Trạng Thái Kích Thích Này, Đặc Biệt là Bán Kính và Hình Dạng. Để Làm Được Điều Này, Các Nhà Thí Nghiệm Sử Dụng Một Kỹ Thuật Gọi Là Tán Xạ Electron, Hiện Tượng Tương Tự Tán Xạ Trong Quang Học.

Khó Khăn của Thí Nghiệm Là Tín Hiệu từ Sự Tán Xạ Electron Rất Yếu và Cần Cường Độ Chùm Electron Cao và Một Máy Dò Chính Xác để Đo Nó. Ngoài Ra, Các Yếu Tố Khác Có Thể Ảnh Hưởng Đến Kết Quả Thí Nghiệm Cần Phải Loại Bỏ.

Để Giải Quyết Những Vấn Đề Này, Các Nhà Thí Nghiệm Sử Dụng Một Số Công Nghệ và Thiết Bị Tiên Tiến Như Máy Gia Tốc Điện Tử Siêu Dẫn, Helium Có Độ Tinh Khiết Cao, Máy Quang Phổ Có Độ Phân Giải Cao, V.v.

Kết Quả của Thí Nghiệm Thật Đáng Ngạc Nhiên và Trái Ngược Hoàn Toàn với Những Dự Đoán Lý Thuyết. Những Tiên Đoán Lý Thuyết Dựa Trên Một Cách Tiếp Cận Gọi Là Lý Thuyết Trường Hiệu Dụng, Mô Hình Đơn Giản Hóa Mô Tả Sự Tương Tác Của Proton và Neutron trong Hạt Nhân Nguyên Tử.

Có nhiều phiên bản khác nhau của lý thuyết trường hiệu dụng, mỗi phiên bản có mức độ phức tạp khác nhau như hiệu ứng tương đối tính, tương tác bậc cao, tương tác tầm ngắn, v.v.. Ưu điểm của lý thuyết trường hiệu dụng là có thể sử dụng các phương pháp số để giải các phương trình của hạt nhân để thu được các tính chất như năng lượng, bán kính, hình dạng, v.v.

Tuy nhiên, kết quả thực nghiệm cho thấy dù sử dụng phiên bản nào của lý thuyết trường hiệu dụng thì nó vẫn không phù hợp với dữ liệu thực nghiệm. Dữ liệu thực nghiệm cho thấy bán kính của hạt nhân helium ở trạng thái kích thích đơn cực luôn lớn hơn nhiều so với dự đoán trên lý thuyết và hình dạng của nó không hoàn toàn là hình cầu và có một số biến dạng.

Những khác biệt này gợi ý rằng lý thuyết trường hiệu dụng không nắm bắt được đầy đủ sự tương tác thực sự của proton và neutron trong hạt nhân, hoặc có một số hiệu ứng vật lý mới xảy ra mà lý thuyết trường hiệu dụng không nắm bắt được.

Ý nghĩa của các kết quả thí nghiệm là rất đáng kể và có thể tiết lộ một số hiện tượng vật lý mới ngoài Mô hình Chuẩn. Những hiện tượng vật lý mới này có thể là những tương tác mới hoặc những hạt mới ảnh hưởng đến hoạt động của hạt nhân nguyên tử nhưng không được Mô hình Chuẩn mô tả.

Những hiện tượng vật lý mới này có thể tồn tại ở vùng năng lượng thấp và do đó khó phát hiện bằng các thí nghiệm trong vật lý năng lượng cao. Tuy nhiên, thông qua các phép đo chính xác của các hệ đơn giản như hạt nhân helium, chúng ta có thể khám phá ra những khả năng của những hiện tượng vật lý mới này.

Vậy chính xác những hiện tượng vật lý mới này là gì? Hiện tại vẫn chưa có câu trả lời chắc chắn, nhưng có một số ứng cử viên khả thi. Một trong số đó là mô men lưỡng cực điện của neutron, một đại lượng vật lý mô tả sự phân bố điện tích bên trong neutron.

Một ứng cử viên khả dĩ khác là vật chất tối, một chất chưa biết chiếm khoảng 85% vật chất trong vũ trụ nhưng không phát ra bất kỳ ánh sáng hay bức xạ điện từ nào và do đó rất khó phát hiện.

Có những khả năng khác như chiều không gian bổ sung, siêu đối xứng, graviton, v.v., là dự đoán của các lý thuyết và mô hình cố gắng giải quyết các vấn đề của Mô hình Chuẩn. Những lý thuyết và mô hình này thường liên quan đến năng lượng rất cao và quy mô rất nhỏ, khiến chúng khó kiểm tra bằng thực nghiệm. Tuy nhiên, chúng cũng có thể tạo ra một số hiệu ứng yếu ở năng lượng thấp và quy mô lớn, ảnh hưởng đến hoạt động của hạt nhân nguyên tử. Nếu những hiệu ứng này tồn tại, chúng có thể là biểu hiện của một nền vật lý mới nằm ngoài Mô hình Chuẩn, vì Mô hình Chuẩn không giải thích được chúng.

Tham khảo: Zhihu