Proton nhẹ hơn ta tưởng

Mô hình cho thấy proton và neutron trong một hạt nhân nguyên tử

Proton rất nhẹ – chỉ bằng một phần vài tỷ của một phần tỷ kilogram – tức rất khó để xác định khối lượng bằng những phương pháp đo thông thường. Gần đây, các nhà vật lý Viện Max Planck tại Heidelberg, CHLB Đức đã nghiên cứu và chế tạo thành công một thiết bị điện từ trường mạnh mẽ, được gọi là ống thu nơ-ron (Penning trap), giúp đo khối lượng proton chính xác hơn. Trong thí nghiệm này, một điện trường và từ trường được chụp quanh proton và lực từ trường sẽ khiến cho proton di chuyển theo quỹ đạo tròn. Trong quá trình đó, proton sẽ rung lắc hay dao động, ở một tần số có quan hệ tới khối lượng của nó. Như vậy, những nhà nghiên cứu có thể tính toán khối lượng proton bằng cách đo tần số này và so sánh với những kết quả tham khảo khác, chẳng hạn như hạt nhân nguyên tử đồng vị Carbon-12, được định nghĩa có khối lượng bằng 12 đơn vị (ký hiệu là u hay Da).  

Nhà vật lý Edmund Myers tới từ Đại học bang Florida (Mỹ), người không tham gia vào nghiên cứu này nói: “Phát hiện này là một bước tiến đáng kể trong nhận thức của chúng ta về khối lượng của hạt cơ bản như proton”.

Tuy nhiên, lực từ trường luôn biến thiên theo không gian và thời gian nên có thể gây ra những sai số trong các phép đo rất nhỏ. Để hạn chế ảnh hưởng của sự biến động này, một nhóm các nhà khoa học tại Mainz, Đức, đã bắn những hạt nhân nguyên tử carbon và proton vào những ống thu nơ-ron riêng biệt, sau đó hoán vị chúng (vào ra, thay đổi vị trí) với tốc độ thật nhanh. Trong những thí nghiệm trước, việc hoán vị hạt nhân và proton cần hơn 30 phút, nhóm nghiên cứu này chỉ cần có 3 phút - điều này giúp giới hạn sai số tới mức đáng kể khi cộng gộp các kết quả. Nhóm nghiên cứu cũng đưa thêm máy dò chuyển động trong thí nghiệm, đem tới một kết quả đo chính xác hơn của 32 trên một nghìn tỷ hạt.

Kết quả đo cho thấy, khối lượng proton xấp xỉ 1.007276466583 đơn vị khối lượng nguyên tử. Con số này ở vào quãng 30 phần tỷ của 1%, nhỏ hơn giá trị trung bình của những thí nghiệm trước – sự sai khác tưởng chừng rất nhỏ bé này lại có một ý nghĩa thực sự quan trọng, bởi 3 giá trị độ lệch chuẩn, kết quả này cũng đã được công bố trên tạp chí Physical Review Letter. (Để so sánh, những nhà khoa học thường coi 2 giá trị lệch chuẩn là đã đủ cho kết quả thí nghiệm có những sai khác thống kê đáng kể).

TS.Sven Sturm ở Trung tâm Vật lý Nguyên tử, Viện Max Planck, trưởng nhóm nghiên cứu, cho biết ông vẫn chưa rõ tại sao những nghiên cứu trước đây lại cho kết quả với giá trị lớn hơn nhiều đến vậy và hoài nghi có lẽ còn những nguyên nhân khác dẫn tới sai sót chưa được phát hiện. Ông nói thêm, dẫu vậy kết quả thu được do nhóm của ông thực hiện, tỏ ra dễ được chấp nhận hơn, với kết quả mới đây nhất cho khối lượng của nguyên tử Helium-3, vốn được cấu tạo bao gồm 2 proton và 1 neutron.     

Nhóm nghiên cứu đang có tham vọng đạt được kết quả đo chính xác hơn, đồng thời với những proton và ion carbon trong những ống thu nơ-ron khác nhau. Một thành viên khác trong nhóm cho biết, họ sẽ cố gắng để có thể đo được khối lượng phản proton (anti-proton) – hạt giống hệt proton nhưng mang điện tích âm (-). Sự khác biệt nếu có, dù là nhỏ nhoi giữa khối lượng của proton và phản proton, thậm chí có thể giúp lý giải tại sao vũ trụ mà chúng ta biết được cấu tạo chủ yếu bởi vật chất, còn phản vật chất thì cực kỳ hiếm.    

Thế Hải lược dịch

Nguồn: http://www.sciencemag.org/news/2017/07/surprise-proton-lighter-we-thought