Lực cơ bản thứ năm có thể tồn tại nhưng chưa được xác nhận

Các hạt và tương tác boson của Mô hình chuẩn. Nguồn: Particle Data Group

Các lực cơ bản là một phần của Mô hình Chuẩn (Standard Model) của vật lý hạt. Mô hình này miêu tả tất cả các hạt lượng tử, bao gồm electron, proton, phản vật chất và những hạt khác. Các hạt quark, neutrino và hạt Higgs boson là tất cả các phần khác của mô hình này.

Có một chút nhầm lẫn về thuật ngữ “lực” trong mô hình này. Với Mô hình Chuẩn, mỗi lực đều là kết quả của một loại hạt mang boson (boson là hạt truyền tương tác). Các photon mang boson gây ra lực điện từ. Các gluon mang boson gây ra lực tương tác mạnh và các boson như W và Z gây ra lực tương tác yếu. Về mặt kỹ thuật thì lực hấp dẫn không thuộc về Mô hình Chuẩn nhưng giả định là hấp dẫn lượng tử có một hạt boson mà chúng ta vẫn biết là graviton. Hiện giờ chúng ta vẫn chưa hiểu biết đầy đủ về hấp dẫn lượng tử nhưng theo một ý tưởng nêu thì hấp dẫn có thể được liên kết với Mô hình chuẩn để tạo ra một lý thuyết hợp nhất toàn vũ trụ (GUT).

Mỗi hạt mà chúng ta đã khám phá ra đều là một phần của Mô hình Chuẩn. Hành xử của các hạt này tương xứng một cách chuẩn xác đến kinh ngạc với mô hình. Các nhà khoa học đã tìm kiếm các hạt ngoài Mô hình chuẩn nhưng vẫn chưa tìm được bất kỳ hạt nào. Mô hình Chuẩn vẫn là chiến thắng của hiểu biết khoa học và là đỉnh cao của vật lý lượng tử.

Nhưng chúng ta mới bắt đầu học hỏi được một vài vấn đề đáng chú ý.

Các quan sát những thiên hà chứng tỏ sự phân bố của vật chất tối. Nguồn: X-ray: NASA/CXC/Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Switzerland/D.Harvey & NASA/CXC/Durham Univ/R.Massey; Optical & Lensing Map: NASA, ESA, D. Harvey (Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Switzerland) và R. Massey (Durham University, UK)

Để bắt đầu, chúng ta đều biết Mô hình Chuẩn không thể kết hợp với hấp dẫn theo cách chúng ta nghĩ. Trong Mô hình Chuẩn, các lực cơ bản “thống nhất” tại các mức năng lượng cao hơn.

Lực điện từ và tương tác yếu kết hợp thành điện từ yếu và điện từ yếu hợp nhất với tương tác mạnh để trở thành lực điện hạt nhân. Tại các mức năng lượng siêu cao, lực điện hạt nhân và lực hấp dẫn có thể hợp nhất. Các thực nghiệm trong vật lý hạt đã chứng tỏ các năng lượng hợp nhất không khớp với nhau.

Phức tạp hơn cả là vấn đề của vật chất tối. Vật chất tối được đề xuất ban đầu để giải thích tại sao các ngôi sao và khí ở vùng ngoài rìa một thiên hà lại chuyển động nhanh hơn dự đoán của lực hấp dẫn. Có thể thuyết hấp dẫn của chúng ta có ẩn chứa lỗi sao nào đó hoặc phải có một khối lượng không thấy được (tối) trong các thiên hà. Hơn 50 năm qua, bằng chứng cho vật chất tối đã xuất hiện. Chúng ta đã quan sát cách vật chất tối tập hợp lại với nhau trong các thiên hà, cách nó được phân bố trong các thiên hà riêng biệt và cả cách hành xử của chúng. Chúng ta biết nó không thể tương tác mạnh với vật chất thông thường hoặc chính nó, và nó chiếm phần lớn khối lượng trong hầu hết các thiên hà.

Nhưng không hạt nào trong Mô hình Chuẩn lại có thể phù hợp với vật chất tối. Vật chất tối có thể được tạo ra từ những như lỗ đen nhỏ, nhưng dữ liệu thiên văn học không thể ủng hộ ý tưởng này. Vật chất tối có thể được tạo ra từ những loại hạt còn chưa được xác định, do đó Mô hình Chuẩn không thể dự đoán được.

Sau đó là năng lượng tối. Các quan sát chi tiết về khoảng cách các thiên hà chứng tỏ vũ trụ giãn nở tại tốc độ chưa từng thấy. Dường như là một loại năng lượng đang điều khiển quá trình này, và chúng ta không hiểu quá trình này diễn ra như thế nào. Có thể sự gia tốc này là kết quả của cấu trúc không gian và thời gian, một loại hằng số vũ trụ là nguyên nhân dẫn đến vũ trụ giãn nở. Cũng có thể một lực mới chưa được phát hiện điều khiển quá trình này. Bất kể năng lượng tối là gì, nó cũng chiếm tới 2/3 vũ trụ.  

Tất cả các điểm này đưa ra một sự thật là Mô hình Chuẩn chưa hoàn thiện. Đây là những thứ mà chúng ta thiếu hiểu biết một cách cơ bản về cách vũ trụ vận hành. Phần lớn các ý tưởng đề xuất điều chỉnh Mô hình chuẩn, từ siêu dối xứng đến các hạt quark còn chưa được khám phá, nhưng có một ý tưởng nêu, đó là lực cơ bản thứ năm. Lực này có thể có các hạt mang hạt boson của chính nó cũng như các hạt mới ở ngoài phạm vi các hạt mà chúng ta đã khám phá.   

Chúng ta chưa hiểu được nhiêu về vũ trụ. Nguồn: Chandra X-ray Observatory

Chính lực thứ năm có thể tương tác với các hạt mà chúng ta đã quan sát được theo các cách tinh tế và mâu thuẫn với Mô hình Chuẩn. Nó dẫn chúng ta đến một công bố là đã có bằng chứng rõ rệt về tương tác.

Công trình này tập trung vào một dị thường trong phân rã hạt nhân helium-4, và xây dựng nghiên cứu sớm hơn những phân rã beryllium-8.

Beryllium-8 có những hạt nhân không bền, vốn phân rã thành hai hạt nhân helium-4. Năm 2016, nhóm nghiên cứu này đã tìm thấy phân rã của beryllium-8 dường như vi phạm ở mức không đáng kể Mô hình Chuẩn. Khi các hạt nhân này ở một trạng thái kích thích, nó có thể phát xạ một cặp electron-positron trong quá trình phân rã. Con số các cặp quan sát được tại các góc rộng hơn ở mức lớn hơn dụ đoán của Mô hình chuẩn, và nó được biết dưới cái tên dị thường Atomki.

Có rất nhiều giải thích có thể cho dị thương này, bao gồm lỗi thực nghiệm, nhưng có một giải thích: nguyên nhân gây ra là hạt boson mà nhóm nghiên cứu đặt là X17. Có thể là hạt mang boson đã gây ra một lực cơ bản thứ năm (chưa được biết đến trước đây) với khối lượng của 17 MeV. Trong bài báo mới "New evidence supporting the existence of the hypothetic X17 particle", nhóm nghiên cứu đã tìm thấy một thiếu nhất quán tương tự trong quá trình phân rã helium-4. Hạt X17 có thể giải thích được dị thường này.

Dù điều này có vẻ thú vị nhưng cần cẩn thận trong suy xét. Khi nhìn vào các chi tiết của công bố, có một chút "chỉnh sửa" dữ liệu. Về cơ bản, nhóm nghiên cứu đã giả định X17 là chính xác và chứng tỏ rằng dữ liệu này được tạo ra để phù hợp với mô hình của họ. Điều này cho thấy, một mô hình có thể giải thích những dị thường không giống chứng minh mô hình giải thích được các dị thường. Các giải thích khác là có thể. Nếu X17 tồn tại, chúng ta có thể quan sát được nó trong những thực nghiệm hạt khác, bây giờ chúng ta chưa thể. Do đó bằng chứng cho “lực thứ năm” vẫn còn yếu.

Lực thứ năm có thể tồn tại nhưng chúng ta chưa tìm được nó. Nhưng gì chúng ta biết là Mô hình Chuẩn vẫn chưa bổ sung được toàn bộ các lực trong vũ trụ và điều đó có nghĩa là còn nhiều khám phá thú vị đang chờ đợi chúng ta ở phía trước.

Anh Vũ dịch 

Nguồn: https://phys.org/news/2019-11-fundamental-havent.html