Hạt muon lắc quá đà: bí ẩn cũ vừa đổi thành bí ẩn mới

Suốt 25 năm, các nhà vật lý loay hoay với một chênh lệch bé tới mức khó tin: khoảng một phần triệu. Tưởng tượng bạn đo chiều dài một sân bóng dài 100 mét và bị lệch đúng một phần mười của một mi li mét. Nhỏ như vậy thì ai mà thèm để ý. Vậy mà cả một thế hệ nhà khoa học đã dành nhiều năm, nhiều nhà máy gia tốc và rất nhiều tiền để đuổi theo nó.

Vì sao một sai lệch bé xíu lại đáng đến thế?

Câu hỏi, nói bằng lời thường

Có một hạt tên là muon (muon), họ hàng nặng hơn của electron (electron). Bạn cứ hình dung muon như một thanh nam châm tí hon. Thả nó quay tròn trong từ trường (magnetic field), nó sẽ lắc, và trục của nó vẽ ra những vòng tròn nhỏ. Độ lớn của những vòng tròn đó được ghi lại bằng một con số, gọi là hệ số g (g-factor).

Nếu muon nằm một mình trong vũ trụ, không có gì khác tồn tại, hệ số g của nó sẽ đúng bằng 2. Không nhiều hơn, không ít hơn. Nhưng thực tế muon lắc nhiều hơn 2 một chút. Phần dư đó, các nhà vật lý gọi tắt là g-2.

Phần dư ấy từ đâu ra? Từ chỗ muon không bao giờ ở một mình. Nó liên tục nhả ra những hạt sống cực ngắn, chẳng hạn photon (photon), rồi hút chúng trở lại. Những hạt đó lại có thể nhả ra hạt khác nữa. Chúng biến mất nhanh tới mức không máy dò nào bắt kịp, và dấu vết duy nhất chúng để lại là: muon lắc thêm một chút.

Điều lạ lùng nằm ở đây. Mọi loại hạt đang tồn tại trên đời đều góp phần vào cái lắc dư đó, kể cả loại hạt mà con người chưa hề biết tên. Như Alex Keshavarzi, nghiên cứu viên cao cấp tại University College London, nói: đo g-2 của muon là cách hỏi xem trong vũ trụ có bao nhiêu loại hạt.

Nên câu hỏi thật sự là: đo được cái lắc dư đó rồi, ta có tính ra đúng con số ấy trên giấy không? Nếu tính không ra, nghĩa là có thứ gì đó đang góp mặt mà ta chưa biết.

Vì sao khó

Muốn tính, bạn phải cộng phần đóng góp của cả bốn lực cơ bản trong tự nhiên.

Ba lực dễ. Trọng lực yếu tới mức bỏ hẳn đi cũng không sai. Lực điện từ (electromagnetic force) và lực hạt nhân yếu (weak nuclear force) đều tính được bằng một kỹ thuật chuẩn, có sẵn.

Lực thứ tư mới là chỗ tắc. Lực mạnh (strong force) là thứ ràng các hạt quark (quark) lại thành proton và neutron. Với lực này, các kỹ thuật tính toán quen thuộc không chạy. Chúng đơn giản là không cho ra kết quả.

Vậy nên các nhà vật lý phải đi đường vòng, và họ có hai đường vòng khác nhau.

Đường thứ nhất: không tính nữa, đi đo. Cho electron đâm vào phản hạt của nó là positron (positron). Vật chất gặp phản vật chất thì triệt tiêu nhau và sinh ra hạt mới, trong đó có những chùm quark. Càng nhiều quark bật ra sau mỗi vụ va chạm, nghĩa là quark càng dính chặt với electron, và càng tác động mạnh lên muon. Cách này gọi là phương pháp dựa trên dữ liệu (data-driven method).

Đường thứ hai giống hệt cách người ta dự báo thời tiết. Về nguyên tắc, muốn dự báo mưa nắng thì phải theo dõi từng luồng gió một, nhưng làm vậy thì vô lý. Nên các nhà khí tượng chia khí quyển thành những ô lớn xếp thành lưới ba chiều, rồi tính xem trung bình mỗi ô đổi thế nào theo thời gian. Các nhà vật lý cũng chia không gian thành ô như vậy để mô phỏng quark.

Hai đường vòng, cùng một đích. Đáng lẽ phải ra cùng một số.

Ai đang thử, và đã tới đâu

Năm 2001, một thí nghiệm ở Brookhaven National Laboratory trên đảo Long Island đo hệ số g của muon. Kết quả ra lớn hơn dự đoán. Nhiều người phấn khích: biết đâu đó là dấu vết của hạt mới, thậm chí là loại hạt giải thích được vật chất tối (dark matter).

Năm 2013, người ta chuyển cả vòng nam châm khổng lồ rộng 50 foot, tức khoảng 15 mét, của Brookhaven sang Fermi National Accelerator Laboratory ở bang Illinois. Không phải bằng máy bay, mà bằng một chuỗi sà lan và xe tải, đi rất chậm, để làm lại phép đo cho chính xác hơn.

Năm 2018, trong luận án tiến sĩ của mình, Keshavarzi góp phần mài giũa phương pháp dựa trên dữ liệu. Tháng 6 năm 2020, dự đoán tính theo phương pháp này được công bố. Tháng 4 năm 2021, Fermilab công bố số đo. Hai bên lệch nhau mạnh tới mức suýt chạm ngưỡng nghiêm ngặt mà giới vật lý đòi hỏi trước khi dám tuyên bố đã tìm ra hạt mới.

Rồi mọi thứ rẽ ngoặt. Cũng trong năm 2021, khi cập nhật cách tính lý thuyết theo đường vòng thứ hai, các nhà vật lý thấy dự đoán khớp với số đo thực nghiệm chính xác tới một phần 100 tỉ. Cái lắc dư của muon bỗng được giải thích trọn vẹn bằng những hạt đã biết.

Nhưng điều đó không kết thúc câu chuyện, nó chỉ đổi câu hỏi. Vì các phép tính cũ trông vẫn hoàn toàn hợp lệ. Chúng không thuần lý thuyết, chúng dựa một phần vào dữ liệu của những thí nghiệm khác. Vậy nếu hai bên không khớp, có phải chính những thí nghiệm cũ đó đã có gì đó bất thường?

Manh mối mới nhất đến từ một máy va chạm hạt ở Siberia. Gần đây, nó cho ra kết quả lệch hẳn, không chỉ lệch với các máy khác mà lệch với chính nó ngày trước.

Nếu tìm ra lời giải thì sao

Chỉ có hai khả năng, và cả hai đều đáng giá. Hoặc các phòng thí nghiệm đang đo theo những cách hơi khác nhau, và có một chi tiết kỹ thuật bị bỏ sót suốt nhiều năm khiến quark trông như đang hành xử kỳ lạ. Hoặc thật sự có những hạt chưa ai biết đang chen vào và để lại dấu vết trong con số ấy. Trường hợp thứ hai nghĩa là danh sách các hạt tạo nên vũ trụ mà loài người viết ra còn thiếu ít nhất một dòng.

Câu hỏi đang đứng ở đâu hôm nay

Chưa ngã ngũ. Cái lắc của muon thì đo được rồi, còn việc hai cách tính không chịu khớp nhau thì vẫn treo đó, và bây giờ có thêm một mớ số liệu va chạm mâu thuẫn cần gỡ.

Bạn thử được một phần của chuyện này ngay ở nhà. Lấy một con quay hoặc con vụ, thả cho nó xoay trên mặt bàn, rồi nhìn kỹ lúc nó sắp đổ: trục của nó không đứng yên mà tự vẽ một vòng tròn nhỏ. Đó chính là kiểu lắc mà các nhà vật lý đang săn trên hạt muon. Khác mỗi chỗ, họ đo nó tới chữ số thứ mười.

Lưu ý

Bài viết dựa trên tin khoa học đã công bố, viết lại cho bạn đọc nhỏ tuổi. Có chỗ nào con muốn tìm hiểu thêm thì rủ bố mẹ đọc cùng nhé.