Khám phá ra lực thứ 5 trong vũ trụ?

• Khi vũ trụ của chúng ta ngập rác
• Công nghệ giúp các phi hành gia giải trí trong vũ trụ
• Nga tuyên bố sẽ triển khai vũ khí lên vũ trụ đáp trả Mỹ

Lực thứ 5?

Ngày 23-10, các nhà nghiên cứu tại Viện Nghiên cứu Hạt nhân ở Hungary đã công bố một nghiên cứu mới về cơ sở dữ liệu arXiv cung cấp thêm bằng chứng về một hạt hoàn toàn mới lần đầu tiên được đề xuất 3 năm trước. 

Được đặt tên là X17, hạt này có thể giúp các nhà khoa học giải quyết một trong những bí ẩn lớn nhất trong thiên văn học: vật chất tối là gì. Sự tồn tại của hạt cũng sẽ yêu cầu viết lại mô hình chuẩn của vật lý hạt, lý thuyết mô tả các lực cơ bản và phân loại các hạt hạ nguyên tử.

Nhưng đó chỉ là khi sự tồn tại của hạt có thể được xác minh. "Và hầu hết các nhà vật lý đều nghi ngờ - một phần vì không có nhà khoa học bên ngoài nào có thể xác nhận độc lập những phát hiện từ trước đó cùng nhóm nghiên cứu", Richard Milner, nhà vật lý tại Viện Công nghệ Massachusetts, người không tham gia nghiên cứu, nói với Live Science.

Năm 2016, một nhóm các nhà nghiên cứu đã báo cáo bằng chứng đầu tiên về hạt X17, trong các thí nghiệm được thực hiện với các nguyên tử beryllium phóng xạ. Các nhà vật lý đã đo ánh sáng và các hạt do beryllium giải phóng khi nó bị phá vỡ. Họ nhận thấy rằng các cặp electron và các đối tác phản vật chất của chúng, positron, có xu hướng giảm tốc độ ở một góc độ nhất định, hành vi dường như không thể giải thích được với vật lý hiện có.

Bẻ khóa các con số, các nhà vật lý kết luận rằng phải có một số hạt trung gian chưa biết mà beryllium phân rã trước khi hạt đó phát ra cặp electron và positron. "Hạt X" chưa biết này được tính toán có khối lượng gần 17 megaelectronvolts, do đó tên của nó là X17. Để so sánh, điều đó làm cho X17 lớn hơn khoảng 34 lần so với electron.

Nghiên cứu mới đã bổ sung thêm nhiều quan sát về hạt được đề xuất, được thấy trong sự phân rã của các nguyên tử helium. Một thiết lập thí nghiệm tương tự một lần nữa cho thấy bằng chứng về một hạt trung gian có cùng khối lượng. 

Các phát hiện cho thấy hạt X17 được đề xuất này không phải là một fermion - loại hạt tạo nên vật chất thông thường - mà là một boson, một hạt mang năng lượng và đôi khi là lực. 

Điều này có nghĩa là X17 có thể truyền tải một lực thứ năm chưa biết trước đây mà các nhà vật lý cho biết có thể giúp giải thích vật chất tối. Chất bí ẩn đó chiếm tới 85% vật chất trong vũ trụ; nó có thể được phát hiện thông qua trọng lực nhưng không tương tác với ánh sáng.

Nhưng hầu hết các nhà vật lý đang chờ đợi các phép đo độc lập trước khi họ chấp nhận các phát hiện. "Tôi hoài nghi. Tôi nghĩ, với tư cách là một nhà thực nghiệm, đó là vị trí tự nhiên của tôi khi tôi nhìn thấy một cái gì đó như thế này, nhưng tôi nghĩ rằng nó cần phải được điều tra", Milner nói với Live Science.

Một phần của sự hoài nghi nảy sinh do Tổ chức Nghiên cứu hạt nhân châu Âu, hay CERN, đã cố gắng săn lùng hạt X17 và không tìm thấy bất kỳ bằng chứng nào về nó. Theo các bằng chứng mới, nhiều nhóm nữa có thể sẽ tiếp tục tìm kiếm hạt, Milner nói với Live Science.

Nếu được xác nhận, phát hiện này cũng có thể mở ra một cách hoàn toàn mới để thực hiện vật lý hạt, Milner nói với Live Science. Trong nửa thế kỷ qua, các nhà vật lý đã đạt được những tiến bộ lớn trong việc xác định Mô hình chuẩn bằng cách tập trung vào lĩnh vực năng lượng cao, đòi hỏi sự hợp tác quốc tế lớn và máy gia tốc đắt tiền để đập các hạt với nhau với tốc độ chóng mặt. Công trình mới, được thực hiện với năng lượng và chi phí thấp hơn nhiều, sẽ là một hướng hoàn toàn mới cho các nhà vật lý tìm kiếm các hạt mới.

"Mô hình chuẩn của vật lý được xác định rất rõ", Milner nói với Live Science. "Vì vậy, nếu người ta tìm thấy một sự tương tác mới ngoài nó, điều đó cực kỳ quan trọng".

4 lực cơ bản

Trong lịch sử khoa học, chúng ta mới chỉ khám phá ra 4 thành tố cơ bản của lực tự nhiên tạo nên vũ trụ. Thế giới xung quanh chúng ta vận động và phát triển không ngừng, thế nhưng dù phức tạp như thế nào thì cũng chỉ 4 loại lực cơ bản tạo nên vũ trụ.

Chúng bao gồm: (1) Lực hấp dẫn. Lực hấp dẫn ngự trị trong thế giới vĩ mô và được Newton phát hiện ra khi ngồi dưới gốc táo ở thế kỷ 17, đây là lực tạo nên chất "keo dính" của toàn bộ vũ trụ. Nó hút các vật này về phía các vật khác. Nó giữ cho chúng ta ở trên mặt đất, giữ cho Mặt trăng quay quanh Trái đất; các hành tinh quay xung quanh Mặt trời, giữ cho các ngôi sao ở trong thiên hà và các thiên hà trong các đám thiên hà. Sẽ ra sao nếu không có lực hấp dẫn, mọi thứ sẽ trôi nổi vô định trong vũ trụ. Do đó đây là lực phổ biến nhất vũ trụ, mọi thứ đều bị lực hấp dẫn tác động, tuy nhiên đây cũng là lực yếu nhất trong 4 lực tự nhiên.

(2) Lực điện từ. Lực điện từ được nhà vật lý người Scotland là James Maxwell khám phá vào năm 1864. Sức mạnh của lực điện từ làm cho một thanh nam châm dễ dàng hút được một chiếc đinh bất chấp lực hấp dẫn của toàn bộ khối lượng Trái đất tác dụng lên nó, do đó lực điện từ mạnh hơn lực hấp dẫn. Lực điện từ tạo nên các nguyên tử bằng cách buộc các electron (mang điện tích âm) vào các hạt nhân. Do đó nếu không có lực này, những hạt cơ bản nhất sẽ không thể liên kết và sẽ không có vật chất như ngày nay.

Lực này cũng không xuất hiện ở mọi vật chất trong vũ trụ như lực hấp dẫn, nó chỉ tương tác khi hạt mang điện tích (hoặc âm hoặc dương), còn những hạt không mang điện tích như photon (hạt ánh sáng) hay neutron thì không có lực điện từ. Miền tác dụng của lực điện từ không chỉ ngừng lại trong thế giới nguyên tử. Nó can thiệp vào cả việc tạo ra những cấu trúc phức tạp hơn. Nó gắn các nguyên tử lại bằng cách buộc chúng phải chia sẻ các electron của mình để tạo nên các phân tử. Chính điều này tạo nên các phân tử phức tạp hơn hay nói cách khác tạo nên toàn bộ vũ trụ, nếu lực hấp dẫn phụ thuộc và tác động lên khối lượng vật thì lực điện từ lại chịu sự chi phối của điện tích mà vật đó mang.

Mặt khác phạm vi tác động của lực điện từ nhỏ hơn rất nhiều so với lực hấp dẫn, lực điện từ chỉ có phạm vi trong cấp độ nguyên tử, phân tử, (vi mô)... còn lực hấp dẫn là lực của toàn bộ vũ trụ (vĩ mô). Đây chính là điểm khác nhau của 2 loại lực cùng mang tính kết nối vũ trụ này.

(3) Lực "yếu". Vào một đêm năm 1896, nhà vật lý người Pháp Henri Becquerel đã vô tình phát hiện sự phân rã nguyên tử và khám phá ra lực yếu này. Vật chất nói chung không phải là bất tử, nếu đi tới tận cùng cấp độ nhỏ hơn nguyên tử, chúng ta sẽ thấy rằng có rất ít hạt sơ cấp trong hàng trăm hạt sơ cấp là "bất tử" (bền). Còn lại đa số đều là hạt không bền, dễ bị phân rã thành các hạt bền nhỏ hơn. Lực điều khiển phân rã và biến hóa này là lực có biệt danh là "yếu". Mặc dù vẫn lớn hơn lực hấp dẫn nhiều, nhưng lực này yếu hơn lực điện từ tới 1.000 lần. Miền tác dụng của nó cũng rất nhỏ. Nó chỉ có sức mạnh trong thế giới nguyên tử.

(4) Lực mạnh. Các hạt nhân nguyên tử là tập hợp của các hạt proton và neutron. Tất cả các proton đều mang cùng một điện tích dương, do đó lực điện từ khiến chúng đẩy xa nhau (cùng dấu thì đẩy, trái dấu thì hút). Vậy lý do gì chúng vẫn có thể tồn tại trong nhân nguyên tử? Đó chính là do lực mạnh, lực mạnh nhất trong 4 lực tự nhiên (Nó mạnh hơn lực điện từ tới 100 lần). Tuy nhiên phạm vi của nó cũng rất hẹp, chỉ trong phạm vi mà lực yếu tác dụng.