Mô hình tiêu chuẩn của vật lý hạt là một kiệt tác khoa học, nhưng vẫn còn nhiều điều chưa hoàn thiện. Chúng ta vẫn chưa hiểu vì sao lại có vật chất (hay còn gọi là sự bất đối xứng giữa vật chất và phản vật chất), và còn rất nhiều điều bí ẩn về vật chất tối và năng lượng tối.
Một trong những câu hỏi thú vị trong khoa học hiện đại là liệu có tồn tại lực cơ bản thứ năm hay không. Có lẽ bạn đã quen thuộc với bốn lực cơ bản mà chúng ta thường nhắc đến: lực mạnh, lực yếu, trọng lực và điện từ. Tuy nhiên, một số nhà vật lý đang đặt ra giả thuyết về sự tồn tại của một lực thứ năm có thể kết nối giữa các neutron và electron, và có thể nó cũng đang hoạt động trong vũ trụ của chúng ta.
Mới đây, một nhóm các nhà khoa học quốc tế từ Đức, Thụy Sĩ và Úc đã xác định được giới hạn trên của một hạt có thể mang lực này thông qua việc nghiên cứu tần số chuyển tiếp của năm đồng vị canxi. Khối lượng của những hạt này được ước lượng trong khoảng từ 10 đến 10 triệu electronvolt (đúng vậy, electronvolt đôi khi cũng được dùng để đo khối lượng – cảm ơn lý thuyết E=mc²). Kết quả của nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Physical Review Letters.
Để có được con số này, các nhà nghiên cứu đã quan sát sự chuyển tiếp nguyên tử của các đồng vị canxi-40, canxi-42, canxi-44, canxi-46 và canxi-48. Sự chuyển tiếp nguyên tử xảy ra khi một electron – bị thu hút bởi các hạt mang điện tích dương trong hạt nhân – tạm thời nhảy lên một mức năng lượng cao hơn. Các chuyển tiếp này có thể thay đổi tuỳ thuộc vào đồng vị và số lượng neutron có trong nguyên tử.
Sau khi hoàn tất các quan sát, các tác giả đã lập biểu đồ các biến thể mà họ ghi nhận, gọi là biểu đồ King. Theo lý thuyết mô hình tiêu chuẩn, điều này sẽ tạo ra một biểu đồ có dạng đường thẳng. Thế nhưng, kết quả lại không như vậy. Do độ nhạy cao của thí nghiệm, biểu đồ cuối cùng lại có dạng phi tuyến, cho thấy những sai lệch mà nhóm nghiên cứu phát hiện có thể là bằng chứng cho sự tồn tại của lực thứ năm.
Tuy nhiên, các tác giả cũng đã lưu ý rằng những sai lệch này cũng có thể được giải thích trong khuôn khổ mô hình tiêu chuẩn. Nhưng bất kể nguyên nhân gây ra những sai lệch này là gì, nó đã không làm giảm khả năng của các nhà khoa học trong việc xác định giới hạn trên cho khối lượng của boson của lực thứ năm.
Việc tìm kiếm lực thứ năm này là một hành trình dài, và đây là một nỗ lực khoa học có phạm vi rộng lớn. Vào những năm 1980, các nhà khoa học tại MIT đã từng cho rằng lực chống trọng lực có thể là một lực thứ năm, và một giả thuyết khác gọi là “quintessence” đã phổ biến trong đầu thế kỷ. Gần đây, Fermilab tại Chicago cũng nghĩ rằng họ có thể đang đến gần với việc phát hiện lực thứ năm, mặc dù các kết quả cuối cùng từ thí nghiệm “muon g-2” của họ chủ yếu xác nhận mô hình tiêu chuẩn.
Những nỗ lực khác cũng đã xem xét các cơ thể lớn hơn chỉ là nguyên tử để tìm kiếm bằng chứng cho lực thứ năm. Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos đã công bố một nghiên cứu năm ngoái cho rằng, bằng cách phân tích cẩn thận quỹ đạo của các tiểu hành tinh và phát hiện bất kỳ sự sai lệch 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 cũng tương tự như nhóm tác giả của bài báo mới, đó là hiểu rõ hơn về các giới hạn nơi mà lực thứ năm có thể tồn tại.
Hiện tại, cuộc tìm kiếm vẫn tiếp diễn, nhưng các nhà khoa học đang từng bước tiến tới một câu trả lời có thể thay đổi cách hiểu của chúng ta về vật lý.
Nguồn tham khảo: https://www.popularmechanics.com/science/a65081665/fifth-force-physics-discovery/
Một trong những câu hỏi thú vị trong khoa học hiện đại là liệu có tồn tại lực cơ bản thứ năm hay không. Có lẽ bạn đã quen thuộc với bốn lực cơ bản mà chúng ta thường nhắc đến: lực mạnh, lực yếu, trọng lực và điện từ. Tuy nhiên, một số nhà vật lý đang đặt ra giả thuyết về sự tồn tại của một lực thứ năm có thể kết nối giữa các neutron và electron, và có thể nó cũng đang hoạt động trong vũ trụ của chúng ta.
Mới đây, một nhóm các nhà khoa học quốc tế từ Đức, Thụy Sĩ và Úc đã xác định được giới hạn trên của một hạt có thể mang lực này thông qua việc nghiên cứu tần số chuyển tiếp của năm đồng vị canxi. Khối lượng của những hạt này được ước lượng trong khoảng từ 10 đến 10 triệu electronvolt (đúng vậy, electronvolt đôi khi cũng được dùng để đo khối lượng – cảm ơn lý thuyết E=mc²). Kết quả của nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Physical Review Letters.
Để có được con số này, các nhà nghiên cứu đã quan sát sự chuyển tiếp nguyên tử của các đồng vị canxi-40, canxi-42, canxi-44, canxi-46 và canxi-48. Sự chuyển tiếp nguyên tử xảy ra khi một electron – bị thu hút bởi các hạt mang điện tích dương trong hạt nhân – tạm thời nhảy lên một mức năng lượng cao hơn. Các chuyển tiếp này có thể thay đổi tuỳ thuộc vào đồng vị và số lượng neutron có trong nguyên tử.
Sau khi hoàn tất các quan sát, các tác giả đã lập biểu đồ các biến thể mà họ ghi nhận, gọi là biểu đồ King. Theo lý thuyết mô hình tiêu chuẩn, điều này sẽ tạo ra một biểu đồ có dạng đường thẳng. Thế nhưng, kết quả lại không như vậy. Do độ nhạy cao của thí nghiệm, biểu đồ cuối cùng lại có dạng phi tuyến, cho thấy những sai lệch mà nhóm nghiên cứu phát hiện có thể là bằng chứng cho sự tồn tại của lực thứ năm.
Tuy nhiên, các tác giả cũng đã lưu ý rằng những sai lệch này cũng có thể được giải thích trong khuôn khổ mô hình tiêu chuẩn. Nhưng bất kể nguyên nhân gây ra những sai lệch này là gì, nó đã không làm giảm khả năng của các nhà khoa học trong việc xác định giới hạn trên cho khối lượng của boson của lực thứ năm.
Việc tìm kiếm lực thứ năm này là một hành trình dài, và đây là một nỗ lực khoa học có phạm vi rộng lớn. Vào những năm 1980, các nhà khoa học tại MIT đã từng cho rằng lực chống trọng lực có thể là một lực thứ năm, và một giả thuyết khác gọi là “quintessence” đã phổ biến trong đầu thế kỷ. Gần đây, Fermilab tại Chicago cũng nghĩ rằng họ có thể đang đến gần với việc phát hiện lực thứ năm, mặc dù các kết quả cuối cùng từ thí nghiệm “muon g-2” của họ chủ yếu xác nhận mô hình tiêu chuẩn.
Những nỗ lực khác cũng đã xem xét các cơ thể lớn hơn chỉ là nguyên tử để tìm kiếm bằng chứng cho lực thứ năm. Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos đã công bố một nghiên cứu năm ngoái cho rằng, bằng cách phân tích cẩn thận quỹ đạo của các tiểu hành tinh và phát hiện bất kỳ sự sai lệch 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 cũng tương tự như nhóm tác giả của bài báo mới, đó là hiểu rõ hơn về các giới hạn nơi mà lực thứ năm có thể tồn tại.
Hiện tại, cuộc tìm kiếm vẫn tiếp diễn, nhưng các nhà khoa học đang từng bước tiến tới một câu trả lời có thể thay đổi cách hiểu của chúng ta về vật lý.
Nguồn tham khảo: https://www.popularmechanics.com/science/a65081665/fifth-force-physics-discovery/
