Kết quả mới thách thức lý thuyết hàng đầu của vật lý

Thực nghiệm LHCb. Nguồn: LHCb  

Mô hình Chuẩn của vật lý hạt dự đoán là các hạt quark đẹp mà thực nghiệm LHCb đo đạc được, phải phân rã thành các hạt muon hoặc electron trong cân bằng. Tuy nhiên những kết quả mới cho thấy điều này có thể không xảy ra, nó có thể chỉ ra sự tồn tại của các hạt mới hoặc các tương tác không thể giải thích bằng Mô hình Chuẩn.

Kết quả này được loan báo tại hội thảo vật lý Moriond Electroweak  và xuất bản như một tiền ấn phẩm.

Trong nghiên cứu này, các nhà vật lý ở Imperial College London và các trường Bristol, Cambridge đã dẫn dắt việc phân tích dữ liệu. Hội đồng KH&CN (The Science and Technology Facilities Council) – một cơ quan đầu tư cho các nghiên cứu tại Anh trong những lĩnh vực vật lý hạt, vật lý hạt nhân, khoa học không gian và thiên văn… tài trợ kinh phí cho họ thực hiện nghiên cứu.

Vượt khỏi Mô hình Chuẩn

Mô hình Chuẩn hiện tại là một lý thuyết hàng đầu về vật lý hạt, nó miêu tả các hạt cơ bản đã biết tạo nên vũ trụ của chúng ta và các lực mà chúng tương tác. Tuy nhiên Mô hình Chuẩn lại không thể giải thích một số bí ẩn sâu hơn trong vật lý hiện đại, bao gồm việc vật chất tối được tạo ra từ đâu và vì sao có sự mất cân bằng giữa vật chất và phản vật chất trong vũ trụ này.

Do đó, các nhà nghiên cứu đã tìm kiếm sự hành xử của các hạt theo những cách khác biệt hơn là trông chờ vào Mô hình Chuẩn, để có thể giúp giải thích phần nào bí ẩn đó.

Tiến sĩ Mitesh Patel, từ Khoa Vật lý tại Imperial và là một trong những nhà vật lý hàng đầu tham gia thực hiện phép đo này, cho biết: “Lần đầu tiên nhìn thấy kết quả này, chúng tôi vô cùng phấn khích. Thậm chí tim chúng tôi đã đập nhanh hơn.

Còn quá sớm để nói đây là một chệch hướng khỏi Mô hình Chuẩn nhưng những ngụ ý tiềm năng của nó về các kết quả đó là những điều kích thích bậc nhất mà tôi đã thực hiện trong vòng 20 năm nghiên cứu trong lĩnh vực này. Chúng tôi đã phải đi một chặng đường dài để có được nó”.

Xây dựng những khối cơ bản của tự nhiên

Những kết quả mà ngày nay chúng ta có được là nhờ thí nghiệm LHCb, một trong bốn máy dò hạt lớn tại CERN. Máy gia tốc hạt lớn LHC là cỗ máy gia tốc hạt lớn nhất thế giới – nó gia tốc các hạt hạt nguyên tử đến tốc độ ánh sáng, trước khi các hạt này va chạm vào nhau. Những vụ va chạm đó tạo ra một sự xuất hiện đột ngột của các hạt mới, vốn sau đó được các nhà vật lý ghi lại và nghiên cứu để hiểu sâu hon về những khối cơ bản của tự nhiên.

Phép đo được cập nhật này đặt ra câu hỏi về quy luật của tự nhiên tác động lên các electron và những “anh em họ” nặng hơn của nó như các hạt muon. Chúng có nhiều nét tương đồng nhau, ngoại trừ những khác biệt nhỏ về khối lượng của chúng.

Theo Mô hình chuẩn, muon và electron tương tác với mọi lực theo cùng một cách, vì vậy các hạt quark đẹp được tạo ra trên LHCb phải phân rã thành muon cũng như cách chúng tác động với các electron.

Nhưng những đo đạc mới đã đề xuất là các phân rã có thể xảy ra tại nhiều tốc độ khác nhau, điều có thể xuất phát từ khả năng các hạt chưa từng thấy trước đây sẽ nằm ngoài vùng thang muon.

Nghiên cứu sinh Daniel Moise, người báo cáo các kết quả mới tại hội thảo Moriond Electroweak Physics, nói: “Kết quả đề xuất một gợi ý hấp dẫn về một hạt cơ bản mới hoặc lực tương tác lên các hạt theo một cách mà khoa học hiện nay vẫn còn chưa biết. Nếu nếu điều này được xác nhận bằng một số đo đạc nữa, nó sẽ có một tác động sâu sắc đến hiểu biết của chúng ta về tự nhiên ở cấp độ cơ bản nhất".

Không phải một kết luận đáng bỏ qua

Thực nghiệm LHCb đang được chờ đợi sẽ thu thập những dữ liệu mới vào năm tới, khi thiết bị được nâng cấp. Ảnh: LHCb 

Trong vật lý hạt, tiêu chuẩn vàng cho khám phá là năm sai lệch tiêu chuẩn – vốn có nghĩa là có một trong 3,5 triệu cơ hội là do may mắn. Kết quả này có ba sai lệch – nghĩa là có tới 1 trong 1000 cơ hội phép đo đạc này là một sự trùng hợp thống kê. Do đó, vẫn còn quá sớm để đưa ra bất kỳ kết luận nào.

TS. Michael McCann, người phụ trách nhóm nghiên cứu tại trường Imperial College London, nói: “Chúng ta biết là vẫn phải có những hạt mới ở ngoài kia để khám phá bởi hiểu biết hiện nay của chúng ta về vũ trụ vẫn còn ít ỏi – chúng ta chưa biết là 95% vật chất trong vũ trụ được làm từ cái gì hoặc tại sao lại có sự bất cân bằng lớn giữa vật chất và phản vật chất, chúng ta cũng không hiểu các mẫu hình trong những đặc tính của các hạt mà chúng ta đã biết.

“Trong khi chúng ta phải chờ xác nhận những kết quả này, tôi hi vọng là một ngày nào đó chúng ta có thể quay lại và coi chúng như một bước ngoặt, nơi chúng ta bắt đầu trả lời được một số câu hỏi cơ bản”.

Hiện tại nhóm hợp tác LHCb kiểm tra các kết quả của họ bằng việc đối chiếu và phân tích nhiều dữ liệu hơn để xem là liệu bằng chứng cho một số hiện tượng mới có còn tồn tại. Thực nghiệm LHCb đang được chờ đợi sẽ thu thập những dữ liệu mới vào năm tới, khi thiết bị được nâng cấp.

Anh Vũ tổng hợp

Nguồn: https://www.cam.ac.uk/research/news/new-result-from-lhcb-experiment-challenges-leading-theory-in-physics

https://phys.org/news/2021-03-result-lhcb-theory-physics.html