Hạt Majorana và sự biến mất bí ẩn của Ettore Majorana

Ettore Majorana (5.8.1906-… (không rõ)). Ảnh Internet.

Hạt Majorana là gì và tại sao nó nổi tiếng?

            Các nhà khoa học trong những năm gần đây tin rằng họ đã tìm thấy bằng chứng tồn tại của một hạt giả định nổi tiếng: hạt fermion Majorana. Việc khảo sát các tính chất của hạt Majorana có thể cho phép các nhà khoa học hiểu rõ hơn về cõi bí ẩn của cơ học lượng tử, giải thích được hành vi của vật chất và tương tác của nó với năng lượng ở quy mô rất nhỏ. Trong suốt hơn 70 năm và ngay ở thời điểm hiện tại, hạt Majorana vẫn luôn là đề tài nóng. Những tính chất của hạt Majorana được dự kiến là sẽ làm cho các hạt fermion phù hợp lý tưởng để trở thành "bit" thông tin ổn định trong máy tính lượng tử (máy tính sử dụng các hiệu ứng lượng tử có tốc độ tính toán siêu nhanh). Thậm chí có ý kiến cho rằng ít nhất một phần "khối lượng thiếu hụt " trong Vũ trụ có thể bao gồm các hạt Majorana. (Ám chỉ về phần vật chất tối-phần vật chất mà chúng ta không thể phát hiện được trực tiếp mà chỉ biết đến sự tồn tại từ sự ảnh hưởng của nó lên phần vật chất nhìn thấy được).

            Các thành phần cấu tạo của vật chất, hạt prôton, nơtron và điện tử, là ví dụ về các hạt gọi là fermion (*). Các hạt vật chất quen thuộc luôn có phản hạt của nó, là những hạt có cùng khối lượng nhưng với điện tích ngược dấu. Chẳng hạn điện tử điện tích âm (khối lượng là m(e-) ~ 9.109x10^-31 kg (hay theo đơn vị năng lượng là ~ 0.511 MeV/c²), điện tích q(e -) ~ -1.602x10^-19 C) có phản hạt là positron hay điện tử điện tích dương (khối lượng là m(e+)=m(e-), điện tích q(e+)=+1.602x10^-19C). Khi điện tử đối đầu với positron-phản hạt của nó, chúng hủy diệt lẫn nhau và phát ra hai bức xạ gamma. Hạt Majorana hoàn toàn khác với các hạt vật chất thông thường: nó có thể là phản hạt của chính nó. Majorana lần đầu tiên dự đoán về hạt này vào năm 1937: nó là nghiệm số của phương trình Majorana (phương trình sóng tương đối tính). Các hạt này thuộc nhóm fermion, nên gọi là hạt fermion Majorana hay hạt Majorana. Ông cũng đưa ra giả thiết là hạt neutrino chính là phản hạt của nó.

Majorana biến mất không để lại dấu vết

            Ettore Majorana là một nhà vật lý lý thuyết tài năng. Dù xuất bản không nhiều, nhưng ông có những ý tưởng xuất chúng. Ngoài hạt Majorana, công trình về khối lượng neutrino vẫn là chủ đề nghiên cứu cho tới hiện nay. Ông cũng là người đầu tiên đề xướng về nơtron-hạt trung tính sau khi nghe vể thí nghiệm của vợ chồng Joliot-Curie năm 1932. Do danh tiếng cao về chuyên môn, ông trở thành giáo sư vật lý lý thuyết của trường đại học Napoli từ cuối năm 1937 (khi mới 31 tuổi) mà không qua xét duyệt.

            Majorana biến mất một cách bí ẩn được cho là trong thời gian đáp chuyến tàu thủy từ Palermo trở về Napoli. Điều ly kỳ là ông đã rút toàn bộ số tiền của mình có trong tài khoản ngân hàng trước khi thực hiện chuyến đi từ Napoli đến Palermo vào đêm 23 tháng 3 năm 1938. Có giả thiết là ông đến Palermo với hy vọng đến thăm người bạn Emilio Segrè, một giáo sư tại trường đại học tại đó, nhưng Segrè khi ấy đang ở California (Segrè đạt giải Nobel Vật Lý năm 1959). Trong khi ở Palermo, ông đã gửi một bức thư (đề ngày 25 tháng 3) cho Antonio Carrelli-Giám đốc Viện Vật lý trường Napoli, đề cập đến một ý định kịch tính: „Carrelli thân mến. Tôi đã đi đến một quyết định không thể tránh khỏi. Không có một chút ích kỷ nào trong đó, nhưng tôi cũng nhận ra những rắc rối mà sự mất tích đột ngột của tôi sẽ gây ra cho bạn và các sinh viên. Vì thế, tôi cầu xin sự tha thứ của bạn, đặc biệt là đã phản bội lại lòng tin, tình bạn chân thành và sự cảm thông mà bạn đã dành cho tôi trong những ngày tháng qua. Tôi muốn bạn nhắc đến tôi với tất cả những người tôi đã quen và đánh giá cao trong Viện, đặc biệt là Sciuti: Tôi sẽ lưu giữ kỷ niệm đẹp về mọi người ít nhất là đến 11 giờ tối nay, và có thể là muộn hơn nữa”.  Tuy nhiên, ngay sau đó, rõ ràng ông đã thay đổi ý định và tỏ ý rõ ràng trở về Napoli và đã gửi một điện tới Carrelli (ngày 26 tháng 3) nói rằng hãy bỏ qua những gì ông viết trong thư trước: „Carrelli thân mến. Tôi hy vọng bạn nhận được bức điện tín và thư của tôi cùng một lúc. Biển từ chối và tôi sẽ trở lại khách sạn Bologna (là nơi Majorana ở tại Napoli) vào ngày mai có lẽ với bức thư này. Tuy nhiên, tôi có ý định từ bỏ công việc giảng dạy”.

            Có thể là Majorana đã lên tàu từ Palermo về Napoli. Nhưng Majorana không bao giờ xuất hiện ở Napoli nữa, và cũng không ai gặp lại ông sau đó ở bất cứ đâu. Ông biến mất không để lại dấu vết. Mặc dù đã có nhiều cuộc điều tra, thi thể của ông không được tìm thấy, nên không ai biết chắc chắn số phận của ông ra sao. Và vì vậy có rất nhiều giả thuyết về sự mất tích bí ẩn của ông, như là tự tử, hay trốn sang Argentina hay Venezuela, hoặc trốn đến một tu viện. Thậm chí cả giả thuyết về bắt cóc hoặc bị giết vì bản thân ông không muốn tham gia hoặc để tránh việc ông có thể tham gia được vào việc chế tạo vũ khí hạt nhân nguyên tử (bắt đầu từ đầu năm 1939 là thời kỳ phát triển mạnh mẽ của vũ khí hạt nhân).

Di sản Majorana

            Dù Majorana biến mất bí ẩn hơn 70 năm trước, nhưng tên tuổi ông vẫn luôn được nhắc tới. Nhân dịp kỷ niệm 100 năm ngày sinh của ông, hội nghị về „Di sản của Ettore Majorana và Vật lý của thế kỷ XXI” được tổ chức tại thành phố quê hương ông. Nhân dịp này, Hiệp hội Vật lý Ý cũng xuất bản một cuốn sách kỷ niệm đăng các bài báo chọn lọc của ông, với lời bình luận và bản dịch tiếng Anh. Cũng nhân dịp này, tạp chí điện tử của Vật lý lý thuyết (Electronic Journal of Theoretical Physics (EJTP)) cũng thiết lập một giải thưởng ghi nhớ Majorana: Huy chương Majorana hay Giải thưởng Majorana, là giải thưởng hàng năm trao tặng các nhà khoa học có những sáng tạo đặc biệt trong vật lý lý thuyết. Đặc biệt là sự phát triển và hoạt động tích cực của Quỹ Ettore Majorana và Trung tâm văn hóa khoa học (Ettore Majorana Foundation and Centre for Scientific Culture (EMFCSC)) tọa lạc tại thành phố Erice (Sicily). Quỹ được lập kế hoạch đầu tiên vào năm 1961, được thành lập chính thức năm 1962, và đi vào hoạt động từ năm 1963. Kể từ đó tới nay, trong suốt quá trình hoạt động 56 năm (tính đến 2019), EMFCSC đã tổ chức 132 trường học, gần 1900 khóa học sau đại học bao gồm tất cả các ngành khoa học,và các hội thảo khoa học. Khoảng 132.000 nhà khoa học từ hơn 900 trường đại học và các việc nghiên cứu từ 140 quốc gia, trong đó có rất nhiều các nhà lãnh đạo thế giới khoa học, các tác giả của những khám phá và phát minh, khoảng 150 các nhà khoa học đạt giải Nobel đến Erice tham gia vào các hoạt động của EMFCSC để thúc đẩy Khoa học không bí mật và không biên giới.

            EMFCSC bao gồm 4 học viện (là 4 tu viện cổ được khôi phục lại) có các giảng đường được mang tên các nhà khoa học vĩ đại và những người ủng hộ mạnh mẽ hoạt động của trung tâm Majorana: Học viện Isidor I. Rabi với giảng đường Richard P. Feynman, Học viện Eugene P. Wigner với giảng đường Enrico Fermi, Viện Patrick M.S. Blackett với giảng đường Paul A.M. Dirac, Robert Hofstadter và John von Neumann, Học viện Victor F. Weisskopf với giảng đường John S. Bell và Richard H. Dalitz.

Học viện Isidor I. Rabi (trước là tu viện San Rocco) nơi có Ban Giám đốc và Ban Thư ký chính của Quỹ Ettore Majorana và Trung tâm văn hóa khoa học và giảng đường mang tên Richard P. Feynman. Hàng ngày rất nhiều đoàn học sinh, sinh viên đến thăm. (Ảnh của tác giả.)

Những người tham gia các khóa học và hội nghị có thể chọn ngụ tại các căn phòng khách trong những căn nhà ở gần xung quanh cả bốn Học viện, được cải tạo lại trong khuôn khổ dự án Majorana (Majorana project). Ngoài ra, EMFCSC ký thỏa thuận với rất nhiều quán ở Erice, để trong khuôn khổ khóa học hay hội nghị, khách có thể tạt vào bất cứ quán ăn uống nào cũng như thoải mái lựa chọn món ăn. Nó góp sức làm tăng cường mối tương tác giữa những người tham gia các khóa học, không chỉ trong khuôn khổ của chương trình, mà còn cả ngoài chương trình ấn định trong suốt thời gian ở tại Erice, khi mà những cuộc thảo luận khoa học của nhiều nhóm bắt đầu khi còn trong giảng đường sẽ được tiếp tục khi dạo bước trên những đường phố lát đá cổ và rồi tiếp diễn tiếp tục trên bàn ăn.

Cổng chính vào một căn nhà có nhiều phòng dành cho khách tham dự hội nghị tổ chức bởi EMFCSC. Có biển gắn trên tường ghi rõ từ „đề án E. Majorana”. (Ảnh của tác giả.)

Không chỉ khách từ các khóa học do EMFCSC tổ chức, mà hàng ngày có rất nhiều đoàn học sinh, sinh viên từ các nơi đến thăm các địa danh của EMFCSC. Các hoạt động thường xuyên và rất hiệu quả của EMFCSC đã làm tên tuổi và công trình khoa học Majorana luôn luôn được nhớ đến.

Tài liệu tham khảo:

Trang wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Ettore_Majorana

Book on-line: Ettore Majorana: Unveiled Genius and Endless Mysteries, By Salvatore Esposito, Springer biographies (2017). DOI: 10.1007/978-3-314-54319-2

S. Esposito, Contemporary Physics 51(3) (2010), 193-209.

B.R. Holstein, J. Phys.: Conf. Ser. 173 (2009) 012019.

K. Shtengel, The heat is on for Majorana fermions https://www.nature.com/articles/d41586-018-05637-5

Majorana particle glimpsed in lab, https://www.bbc.com/news/science-environment-17695944

Ettore Majorana Foundation and Centre for Scientific Culture (EMFCSC)http://www.ccsem.infn.it/

(*) Fermion là các hạt có spin nửa nguyên (1/2, 3/2, 5/2…), tuân theo thống kê Fermi-Dirac. Trong Mô hình chuẩn (Standard Model), có hai kiểu fermion cơ bản: quark (6 loại khác nhau: lên, xuống, lạ, duyên, đáy, đỉnh) và lepton (điện tử, hạt muon, tau, neutrino). Các hạt này thuộc nhóm được đặt theo tên của Enrico Fermi (đạt giải Nobel Vật Lý năm 1938), chúng còn được gọi là các hạt cấu tạo của vật chất.