Mô hình chuẩn của vật lý hạt là một kiệt tác khoa học, nhưng mặc dù vậy, nó vẫn chưa hoàn chỉnh. Chúng ta vẫn chưa biết tại sao lại có vật chất (còn được gọi là sự đối xứng vật chất - phản vật chất), và có một vấn đề lớn khác là vật chất tối và năng lượng tối. Một trong những bí ẩn khoa học khác là có thể có một lực cơ bản thứ năm. Bạn có thể đã quen thuộc với bốn lực chuẩn: lực mạnh, lực yếu, trọng lực và điện từ, nhưng một số nhà vật lý lại nghi ngờ về sự tồn tại của một lực thứ năm có thể liên kết các neutron và electron trong vũ trụ của chúng ta.
Mới đây, một nhóm nghiên cứu quốc tế đến từ Đức, Thụy Sĩ và Úc đã xác định giới hạn trên của một hạt có thể mang theo lực như vậy bằng cách quan sát tần số chuyển tiếp của năm đồng vị canxi. Khối lượng của những đồng vị này được xác định ở khoảng từ 10 đến 10 triệu electronvôn (có, electronvôn đôi khi được sử dụng như một đơn vị đo khối lượng - cảm ơn định luật E=mc²). Kết quả của nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Physical Review Letters.
Để đạt được con số này, các nhà nghiên cứu đã quan sát các chuyển tiếp nguyên tử của canxi-40, canxi-42, canxi-44, canxi-46 và canxi-48. Một chuyển tiếp nguyên tử xảy ra khi một electron - bị hấp dẫn bởi các hạt mang điện dương trong hạt nhân - nhảy lên một mức năng lượng cao hơn trong một thời gian ngắn. Những chuyển tiếp nguyên tử này có thể khác nhau tùy thuộc vào đồng vị và bị ảnh hưởng bởi số lượng neutron có trong một nguyên tử.
Sau khi hoàn thành các quan sát, các tác giả đã vẽ lại những biến thể mà họ ghi nhận trên một biểu đồ King. Theo mô hình chuẩn, biểu đồ này lẽ ra phải cho một đường thẳng, nhưng thực tế thì nghiên cứu không tìm thấy như vậy. Do độ nhạy cao của thí nghiệm, biểu đồ trở nên phi tuyến tính, điều này gợi ý rằng những chệch choạc mà nhóm nghiên cứu phát hiện có thể là bằng chứng cho sự tồn tại của một lực thứ năm.
Tuy nhiên, như các tác giả cũng lưu ý, điều này cũng có thể được giải thích trong khuôn khổ mô hình chuẩn. Dù cho nguyên nhân gây ra những chệch choạc này là gì, nó vẫn không làm giảm khả năng của các nhà khoa học trong việc xác định giới hạn trên về khối lượng của boson mang lực thứ năm.
Cuộc tìm kiếm cho lực thứ năm này là một hành trình dài, và đó là một nỗ lực khoa học rất rộng lớn. Trong những năm 1980, các nhà khoa học tại MIT đã nghĩ rằng lực phản trọng lực có thể là một lực thứ năm, và một ý tưởng khác được gọi là "quintessence" đã trở nên phổ biến vào đầu thế kỷ này. Gần đây, Fermilab tại Chicago tưởng rằng họ có thể sắp phát hiện ra lực thứ năm, mặc dù kết quả cuối cùng của thí nghiệm "muon g-2" chủ yếu đã xác nhận mô hình chuẩn.
Ngoài ra, một số nỗ lực đã tìm kiếm bằng chứng cho lực thứ năm ở những đối tượng lớn hơn chỉ là các nguyên tử. Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos đã công bố một nghiên cứu năm ngoái gợi ý rằng bằng cách phân tích kỹ lưỡng quỹ đạo của các tiểu hành tinh và phát hiện bất kỳ chệch choạc nào trong quỹ đạo đó, chúng ta có thể học hỏi được điều gì đó về các lực hạt mà chúng ta chưa hiểu rõ. Mục tiêu cuối cùng của nhóm nghiên cứu này, giống như nhóm đứng sau bài báo mới này, là hiểu rõ hơn về những ràng buộc mà lực thứ năm có thể tồn tại.
Hiện tại, cuộc tìm kiếm vẫn tiếp tục, nhưng các nhà khoa học đang từng bước tiến gần hơn đến một câu trả lời có thể thay đổi cả lĩnh vực vật lý.
Nguồn tham khảo: https://www.popularmechanics.com/science/a65081665/fifth-force-physics-discovery/
Mới đây, một nhóm nghiên cứu quốc tế đến từ Đức, Thụy Sĩ và Úc đã xác định giới hạn trên của một hạt có thể mang theo lực như vậy bằng cách quan sát tần số chuyển tiếp của năm đồng vị canxi. Khối lượng của những đồng vị này được xác định ở khoảng từ 10 đến 10 triệu electronvôn (có, electronvôn đôi khi được sử dụng như một đơn vị đo khối lượng - cảm ơn định luật E=mc²). Kết quả của nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Physical Review Letters.
Để đạt được con số này, các nhà nghiên cứu đã quan sát các chuyển tiếp nguyên tử của canxi-40, canxi-42, canxi-44, canxi-46 và canxi-48. Một chuyển tiếp nguyên tử xảy ra khi một electron - bị hấp dẫn bởi các hạt mang điện dương trong hạt nhân - nhảy lên một mức năng lượng cao hơn trong một thời gian ngắn. Những chuyển tiếp nguyên tử này có thể khác nhau tùy thuộc vào đồng vị và bị ảnh hưởng bởi số lượng neutron có trong một nguyên tử.
Sau khi hoàn thành các quan sát, các tác giả đã vẽ lại những biến thể mà họ ghi nhận trên một biểu đồ King. Theo mô hình chuẩn, biểu đồ này lẽ ra phải cho một đường thẳng, nhưng thực tế thì nghiên cứu không tìm thấy như vậy. Do độ nhạy cao của thí nghiệm, biểu đồ trở nên phi tuyến tính, điều này gợi ý rằng những chệch choạc mà nhóm nghiên cứu phát hiện có thể là bằng chứng cho sự tồn tại của một lực thứ năm.
Tuy nhiên, như các tác giả cũng lưu ý, điều này cũng có thể được giải thích trong khuôn khổ mô hình chuẩn. Dù cho nguyên nhân gây ra những chệch choạc này là gì, nó vẫn không làm giảm khả năng của các nhà khoa học trong việc xác định giới hạn trên về khối lượng của boson mang lực thứ năm.
Cuộc tìm kiếm cho lực thứ năm này là một hành trình dài, và đó là một nỗ lực khoa học rất rộng lớn. Trong những năm 1980, các nhà khoa học tại MIT đã nghĩ rằng lực phản trọng lực có thể là một lực thứ năm, và một ý tưởng khác được gọi là "quintessence" đã trở nên phổ biến vào đầu thế kỷ này. Gần đây, Fermilab tại Chicago tưởng rằng họ có thể sắp phát hiện ra lực thứ năm, mặc dù kết quả cuối cùng của thí nghiệm "muon g-2" chủ yếu đã xác nhận mô hình chuẩn.
Ngoài ra, một số nỗ lực đã tìm kiếm bằng chứng cho lực thứ năm ở những đối tượng lớn hơn chỉ là các nguyên tử. Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos đã công bố một nghiên cứu năm ngoái gợi ý rằng bằng cách phân tích kỹ lưỡng quỹ đạo của các tiểu hành tinh và phát hiện bất kỳ chệch choạc nào trong quỹ đạo đó, chúng ta có thể học hỏi được điều gì đó về các lực hạt mà chúng ta chưa hiểu rõ. Mục tiêu cuối cùng của nhóm nghiên cứu này, giống như nhóm đứng sau bài báo mới này, là hiểu rõ hơn về những ràng buộc mà lực thứ năm có thể tồn tại.
Hiện tại, cuộc tìm kiếm vẫn tiếp tục, nhưng các nhà khoa học đang từng bước tiến gần hơn đến một câu trả lời có thể thay đổi cả lĩnh vực vật lý.
Nguồn tham khảo: https://www.popularmechanics.com/science/a65081665/fifth-force-physics-discovery/
