Làm lạnh phản vật chất đến gần độ âm tuyệt đối

Có thể giải đáp bí mật lớn nhất của vũ trụ

Trong một nghiên cứu mới (làm lạnh bằng laser các nguyên tử antihydrogen), các nhà khoa học triệt tiêu được sự rung lắc nhiệt của các nguyên tử antihydrogen (phản vật chất của hydrogen), làm đông cứng các phản nguyên tử đến gần độ không tuyệt đối. Cách làm chậm phản vật chất, hoặc đối tác của vật chất bình thường tích điện trái dấu, có thể hướng các nhà khoa học đến khả năng tạo ra các phân tử phản vật chất đầu tiên.

Các nhà khoa học cho biết, việc chế áp phản vật chất ương ngạnh bằng giải pháp sử dụng tia laser có thể giúp các nhà vật lý đánh giá chính xác những tính chất đặc trưng của phản nguyên tử.

Phản vật chất không thường xuyên được thấy như vật chất bình thường, vì phản vật chất và vật chất hủy diệt lẫn nhau khi tiếp xúc và tạo ra năng lượng, do đó rất khó lưu giữ và nghiên cứu.

Kỹ thuật sử dụng laser cho phép các nhà khoa học làm lạnh phản vật chất xuống chỉ bằng 1/20 độ trên độ không tuyệt đối, lạnh hơn 3.000 lần so với nhiệt độ lạnh nhất từng được ghi nhận ở Nam Cực.

So sánh giữa phản nguyên tử và nguyên tử bình thường có thể kiểm tra và xác nhận tính đối xứng thiết yếu và bí mật lớn nhất của vũ trụ, ví dụ như trọng lực ảnh hưởng thế nào đến phản vật chất.

Các nhà khoa học làm lạnh các nguyên tử bằng phương pháp giảm tốc độ di chuyển bằng cách sử dụng hàng loạt các hạt ánh sáng hoặc photon. Nhưng việc làm lạnh phản vật chất bằng tia laser lại rất khó khăn vì tạo ra phản vật chất là một khó khăn vô cùng lớn.

Để tạo ra các phản nguyên tử hydro này, các nhà vật lý sử dụng kỹ thuật kết hợp phản proton với positron, phản hạt của electron. Sau vài giờ, chùm tia laser được điều chỉnh theo một tần số ánh sáng UV cụ thể làm giảm tốc độ các nguyên tử phản hydro từ tốc độ 90m/giây xuống còn khoảng 10m/giây.

Với kỹ thuật này, các nhà khoa học đã tăng tốc các hạt vật chất lên gần tốc độ ánh sáng, thúc đẩy va đập với nhau tạo ra các phản hạt. Nhóm nghiên cứu cũng điều chuyển và làm chậm các phản hạt đang tăng tốc bằng cách sử dụng từ trường và điện trường mạnh.

Giai đoạn cuối, các nhà nghiên cứu giới hạn được các đám mây positron và phản proton trong từ trường cho đến khi kết hợp lại tạo ra phản nguyên tử hydro làm lạnh chất phản hydro bằng cách kích nổ với tia laser.

Làm lạnh các nguyên tử phản vật chất hydro bằng các song xung kích laser.

Chìa khóa vàng về thế giới vật chất đảo ngược

Sự chuyển động của các hạt tạo ra nhiệt, để làm lạnh phản vật chất cần các photon trong chùm tia laser chuyển động ngược lại hướng các hạt phản vật chất đang hoạt động. Các photon có động lượng riêng, nên hydro hấp thụ động lượng này khi di chuyển theo hướng ngược lại, điều đó làm chậm hoạt động của phản hydro. Vấn đề then chốt là ánh sáng cần được điều chỉnh với một bước sóng cụ thể để tương tác với phản vật chất.

Những nghiên cứu về phản hydro siêu lạnh sẽ kiểm tra ý tưởng về tính đối xứng CPT hoặc sự thay đổi điện tích - chẵn lẻ - ngược thời gian.

Nguyên lý đối xứng CPT trong vật lý khẳng định, các nguyên tử bình thường sẽ tiếp nhận và giải phóng các photon với năng lượng, tương tự như các đối tác phản vật chất. Nhưng khi có những khác biệt dù nhỏ nhất giữa hydro và antihydrogen cũng có thể làm suy yếu các lý thuyết vật lý hiện đại.

Theo thuyết hấp dẫn của Einstein, vật chất bình thường và phản vật chất rơi xuống Trái Đất với tốc độ bằng nhau. Những thí nghiệm tiếp theo với phản nguyên tử được làm lạnh bằng laser trong trạng thái rơi tự do sẽ cung cấp nhận thức rõ ràng hơn về tác động của trọng lực.

Việc làm đông lạnh phản vật chất có thể sẽ là chiếc chìa khóa vàng, cho phép các nhà khoa học có được cái nhìn đầu tiên về thế giới vật chất đảo ngược với thế giới của chúng ta.

Phản vật chất là gì?