Meson B: Hạt lượng tử biến đổi giữa vật chất và phản vật chất gần 3.000 tỷ lần mỗi giây
Meson B trung hòa có thể dao động giữa hạt và phản hạt ở tần số khoảng 2,83 THz. Thí nghiệm LHCb tại CERN đã đo chính xác hiện tượng và góp phần nghiên cứu bí ẩn bất đối xứng vật chất của vũ trụ.
Trong thế giới lượng tử, ranh giới giữa vật chất và phản vật chất không phải lúc nào cũng cố định. Một số hạt meson trung hòa có thể dao động giữa trạng thái hạt và phản hạt với tốc độ gần 3.000 tỷ chu kỳ mỗi giây. Những phép đo tại CERN đang giúp các nhà vật lý nghiên cứu một trong những bí ẩn lớn nhất của vũ trụ: vì sao vật chất tồn tại nhiều hơn phản vật chất?
Meson là gì và vì sao chúng có thể biến đổi?
Meson là hạt hạ nguyên tử gồm một quark và một phản quark. Một số meson trung hòa, bao gồm meson B_s^0, có thể trải qua hiện tượng gọi là trộn lẫn hạt–phản hạt (particle–antiparticle mixing). Dưới tác động của tương tác yếu, trạng thái lượng tử của hệ tiến triển theo thời gian, khiến xác suất quan sát được meson B_s^0 hoặc phản hạt tương ứng thay đổi tuần hoàn.
Quá trình thường được viết B_s^0 ↔ anti-B_s^0. Cần hiểu đây là dao động lượng tử của xác suất, không phải một hạt rắn liên tục đổi hình dạng hoặc một sự biến đổi có thể quan sát trực tiếp bằng mắt.
Con số gây kinh ngạc: khoảng 2.830 tỷ chu kỳ mỗi giây
Năm 2021, LHCb công bố phép đo chính xác về tham số dao động meson B_s^0. Giá trị kết hợp được báo cáo là Δm_s = 17,7656 ± 0,0057 ps⁻¹. Vì đây là tần số góc của dao động trong cách biểu diễn xác suất, số chu kỳ trên một giây tương ứng với Δm_s/(2π), xấp xỉ 2,83 × 10¹² Hz, tức khoảng 2.830 tỷ chu kỳ mỗi giây. Một chu kỳ kéo dài gần 0,35 picôgiây.
Để đi đến kết quả đó, các nhà vật lý không quay phim từng lần chuyển đổi. LHC tạo ra các meson trong những va chạm năng lượng cao; thiết bị LHCb tái dựng các sản phẩm phân rã và quãng đường bay rất ngắn, từ đó suy ra thời gian sống và trạng thái hạt để khớp mô hình dao động trên một tập dữ liệu lớn.
Dao động hạt–phản hạt có phải là vi phạm CP?
Không. Hai hiện tượng liên quan nhưng khác nhau. Dao động cho thấy hạt và phản hạt trung hòa có thể trộn lẫn. Vi phạm đối xứng CP xảy ra khi một quá trình vật lý và phiên bản đổi hạt thành phản hạt đồng thời phản chiếu không gian của nó không diễn ra theo cách hoàn toàn tương ứng. LHCb đã quan sát được vi phạm CP trong một số phân rã meson B_s^0, nhưng không thể kết luận chỉ riêng tốc độ dao động đã chứng minh vi phạm CP.
Vì sao phát hiện này liên quan đến sự tồn tại của vũ trụ?
Trong vũ trụ sơ khai, vật chất và phản vật chất có thể gặp nhau rồi hủy cặp, biến năng lượng khối lượng thành bức xạ. Thế nhưng, các quan sát thiên văn cho thấy vũ trụ hiện nay lại chiếm ưu thế rõ rệt bởi vật chất. Điều gì đã tạo nên sự mất cân bằng ấy?
Vi phạm CP là một thành phần quan trọng trong nhiều lý thuyết giải thích sự bất đối xứng vật chất–phản vật chất. Mô hình Chuẩn đã mô tả nhiều biểu hiện vi phạm CP được quan sát trong phòng thí nghiệm. Tuy vậy, những cơ chế đã biết trong các kịch bản thông thường vẫn chưa giải thích trọn vẹn lượng vật chất còn lại, nên các nhà khoa học tiếp tục tìm kiếm cơ chế bổ sung và kiểm nghiệm những mô hình mới.
Không nên so sánh sai với đồng hồ quang học
Tần số khoảng 2,83 THz của dao động meson B_s^0 là rất cao, nhưng không nhanh hơn tần số chuyển mức dùng trong các đồng hồ quang học hiện đại vốn thường nằm trong dải hàng trăm THz. Hơn nữa, đây là hai hiện tượng vật lý khác bản chất. Điều đáng kinh ngạc nằm ở việc các nhà khoa học có thể đo chính xác sự tiến triển lượng tử xảy ra trên thang thời gian dưới một phần nghìn tỷ giây.
Từ những hạt cực nhỏ đến câu hỏi lớn nhất
Meson B không phải những viên gạch ổn định tồn tại lâu dài bên trong các đồ vật thông thường; chúng là các hạt sống rất ngắn được tạo ra trong những quá trình năng lượng cao. Nhưng chính vòng đời ngắn ngủi ấy lại biến chúng thành phòng thí nghiệm tự nhiên để kiểm tra các định luật cơ bản.
Mỗi phép đo chính xác hơn về trộn lẫn meson và vi phạm CP vừa củng cố các dự đoán đã biết, vừa thu hẹp không gian cho những lý thuyết mới. Ẩn phía sau các con số tính bằng phần nghìn tỷ giây là một câu hỏi lớn: điều gì đã khiến vật chất tồn tại đủ lâu để trở thành các thiên hà, hành tinh và chính chúng ta?
