Phản vật chất: Chìa khóa giải quyết bí ẩn lớn nhất của vũ trụ

Hai bài báo được xuất bản trong tuần này giới thiệu những nguồn gốc phức tạp và những ứng dụng tiềm năng của phản vật chất, một loại vật chất lật ngược các quy luật chi phối vật chất thông thường.

Một tờ giấy, được xuất bản hôm nay tại JCAP, đã phát hiện ra rằng phản hạt nhân từ các tia vũ trụ có thể là dấu hiệu của một loại vật chất tối cụ thể. Trong một bài báo riêng, được xuất bản đầu tuần này trên tạp chí AIP Advances, các nhà nghiên cứu đã mô tả một phương pháp phát hiện vị trí và hoạt động của các lò phản ứng hạt nhân bằng cách sử dụng các phản neutrino được tạo ra bởi các phản ứng hạt nhân của cơ sở đó.

Phản vật chất rất quan trọng vì nó có thể giúp giải thích những bí ẩn cơ bản của vũ trụ, chẳng hạn như tại sao vũ trụ được tạo thành từ vật chất thay vì sự kết hợp cân bằng giữa vật chất và phản vật chất. Những nghiên cứu này phù hợp với nỗ lực lớn hơn nhằm giải quyết một số câu đố lớn nhất của vật lý, bao gồm bản chất của vật chất tối, vật lý ở quy mô nhỏ nhất và thậm chí có thể là nguồn gốc của vũ trụ.

Bất chấp tên gọi của nó, phản vật chất thực chất là vật chất. Nó có khối lượng. Phản vật chất đề cập đến một nhóm các hạt có điện tích trái dấu với các hạt thông thường của chúng. Bạn đã nghe nói về electron (có điện tích âm) và proton (có điện tích dương); đối tác phản vật chất của chúng là positron (có điện tích dương) và phản proton (có điện tích âm).

Mặc dù có sự khác biệt về điện tích của các hạt, phản vật chất không hoàn toàn xa lạ với các lực cơ bản. Năm ngoái, một nhóm các nhà vật lý phát hiện ra rằng phản vật chất phản ứng với lực hấp dẫn giống như vật chất thông thường, một phát hiện khẳng định cả Einstein và Mô hình chuẩn của Vật lý hạt.

Một thứ tương tự như ý tưởng về “phản vật chất” mà bạn có thể có trong đầu là vật chất tối—cũng có khối lượng—nhưng vô hình đối với mọi loại máy dò mà loài người đã phát minh ra cho đến nay. Các nhà khoa học biết vật chất tối tồn tại vì hiệu ứng hấp dẫn của nó có thể nhìn thấy được, mặc dù không thể quan sát trực tiếp được hạt (hoặc các hạt!) chịu trách nhiệm.

Phản vật chất vẫn là một vấn đề gây nhầm lẫn (xin lỗi, chơi chữ tệ quá) vì một vài lý do. Theo giải thích của Gizmodo vào năm 2022:

Vũ trụ hình thành cách đây 14 tỷ năm với Vụ nổ lớn theo lý thuyết đáng lẽ phải tạo ra lượng vật chất và phản vật chất bằng nhau. Nhưng hãy nhìn xung quanh bạn hoặc xem những hình ảnh mới nhất của kính thiên văn Webb: Chúng ta đang sống trong một vũ trụ bị chi phối bởi vật chất. Một câu hỏi nổi bật trong vật lý là điều gì đã xảy ra với toàn bộ phản vật chất.

Phản vật chất và vật chất tối ăn khớp với nhau trong bài báo JCAP gần đây, trong đó thừa nhận rằng lượng phản vật chất được phát hiện bởi các thí nghiệm nhiều hơn mức cần thiết – và họ tin rằng vật chất tối là thủ phạm.

Một số hạt khác nhau (và những vật thể kỳ lạ hơn khác) được cho là nguyên nhân tạo ra vật chất tối. Trong số đó: axions, một hạt được đặt tên theo chất tẩy giặt; Các vật thể hào quang nhỏ gọn khổng lồ hoặc MACHO; các photon tối, mặc dù có tên như vậy nhưng giống axion hơn là một phiên bản ánh sáng quỷ quyệt nào đó; và các lỗ đen nguyên thủy, là những lỗ đen cực nhỏ được sinh ra vào thời kỳ đầu của vũ trụ, trôi nổi trong không gian.

Nghiên cứu gần đây tập trung vào một loại khác—Các hạt lớn tương tác yếu, hay WIMP—là bên có tội. Về cơ bản, lý thuyết là khi các WIMP va chạm nhau, đôi khi chúng hủy diệt lẫn nhau, phát ra năng lượng và các hạt vật chất và phản vật chất.

Trong nghiên cứu năm 2022 nói trên, một nhóm các nhà vật lý sử dụng thí nghiệm ALICE tại CERN đã phát hiện ra rằng phản vật chất có thể di chuyển qua thiên hà của chúng ta một cách dễ dàng thay vì bị vật chất trong môi trường giữa các vì sao dập tắt, một kết luận có giá trị cho các máy dò phản hạt nhân như AMS-02 thí nghiệm trên Trạm vũ trụ quốc tế.

Pedro De la Torre Luque, nhà vật lý tại Viện Lý thuyết, cho biết: “Các dự đoán lý thuyết cho thấy rằng, mặc dù các tia vũ trụ có thể tạo ra phản hạt thông qua tương tác với khí trong môi trường liên sao, nhưng lượng phản hạt nhân, đặc biệt là phản helium, sẽ cực kỳ thấp”. Các nhà vật lý ở Madrid và là tác giả chính của bài báo JCAP, trong SISSA Medialab giải phóng.

De la Torre Luque cho biết thêm: “Chúng tôi dự kiến ​​sẽ phát hiện một sự kiện phản helium cứ sau vài chục năm, nhưng khoảng mười sự kiện phản helium được AMS-02 quan sát có cường độ cao hơn nhiều so với dự đoán dựa trên tương tác tia vũ trụ tiêu chuẩn”. “Đó là lý do tại sao những phản hạt nhân này là đầu mối hợp lý cho sự hủy diệt WIMP.”

Tuy nhiên, De la Torre Luque nói thêm rằng WIMP chỉ có thể giải thích lượng phản helium-3—một đồng vị phản vật chất được phát hiện bởi AMS-02—và không phát hiện được lượng phản helium-4 hiếm hơn, nặng hơn. Nói cách khác, ngay cả khi WIMP chịu trách nhiệm về vật chất tối, chúng cũng không kể toàn bộ câu chuyện.

WIMP có thể chịu trách nhiệm phát hiện phản vật chất mà các máy dò trong không gian đang thu thập. Nhưng bất chấp câu hỏi về vật chất tối – một câu hỏi sẽ mất nhiều thời gian để trả lời – thiết kế của một máy dò phản vật chất để giám sát các lò phản ứng hạt nhân trên Trái đất cho thấy những ứng dụng thực tế ở đây và bây giờ. Cùng với nhau, những phát hiện về phản vật chất này có thể đưa ra những cách mới để khai thác các đặc tính kỳ lạ của vũ trụ cho mục đích sử dụng thực tế, đồng thời giúp chúng ta hiểu rõ hơn về cả vũ trụ và hành tinh của chúng ta.