Mô hình chuẩn trong vật lý hạt là một thành tựu khoa học đáng kinh ngạc kéo dài gần một thế kỷ, và sức mạnh dự đoán của nó đã chứng minh sự nhất quán đáng kể. Tuy nhiên, bất kỳ mô hình khoa học nào cũng cần phải chịu sự kiểm tra từ thực nghiệm, và một trong những nơi thực hiện những thử nghiệm này chính là Fermilab.
Bắt đầu từ năm 2017, một nhóm các nhà khoa học quốc tế đã sử dụng dữ liệu từ vòng từ tính đường kính 15 mét của Fermilab để đo lường sự lắc lư của một hạt hạ nguyên tử gọi là muon thông qua thí nghiệm “muon g-2”. Muon nặng hơn hơn 200 lần so với electron, nhưng chúng chỉ tồn tại trong vài vi giây. Tuy nhiên, muon có một trục quay khiến chúng hành xử giống như những chiếc nam châm nhỏ. Sự lắc lư này, hay còn gọi là sự tiền tiến, do một trường từ bên ngoài gây ra và được gọi là g-factor. Một thế kỷ trước, yếu tố này được tìm thấy có giá trị là 2 (do đó có tên là thí nghiệm “muon g-2”). Tuy nhiên, sự xuất hiện của lý thuyết trường lượng tử đã làm phức tạp con số này khi đưa vào các tương tác của trường mạnh, yếu và Higgs. Phần lệch nhẹ này so với dự đoán “2” được gọi là momen từ dị thường của muon.
Để hiểu rõ hơn về sự dị thường này, Fermilab đã liên tục công bố kết quả từ loạt thí nghiệm của mình kéo dài từ 2017 đến 2023. Vào ngày 3 tháng 6 năm 2025, thí nghiệm muon g-2 cuối cùng đã công bố đầy đủ kết quả của mình, với độ chính xác khoảng 127 phần tỷ—đây là phép đo nhạy nhất và chính xác nhất về dị thường từ tính của muon cho đến nay. Kết quả của nghiên cứu đã được gửi đến tạp chí Physical Review D.
“Momen từ dị thường, hay g–2, của muon rất quan trọng vì nó cung cấp một bài kiểm tra nhạy cảm cho Mô hình chuẩn của vật lý hạt,” bà Regina Rameika, Giám đốc Phó Văn phòng Vật lý Năng lượng Cao của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, cho biết trong một thông cáo báo chí. “Đây là một kết quả thú vị và thật tuyệt khi thấy một thí nghiệm kết thúc một cách xác định với một phép đo chính xác.”
Việc hiểu được phép đo chính xác này của muon g-2 có thể giúp các nhà khoa học khám phá ra những điều mới trong vật lý, khi bất kỳ sự sai lệch nào giữa kết quả thực nghiệm và dự đoán lý thuyết sử dụng Mô hình chuẩn có thể chỉ ra những điều chưa biết trong hiểu biết của chúng ta về thế giới hạ nguyên tử. Khi các nhà vật lý thực nghiệm cố gắng hoàn thiện các phương pháp đo lường dị thường từ tính, các nhà vật lý lý thuyết—đặc biệt là những người tham gia Sáng kiến Lý thuyết Muon—đã phần lớn chia thành hai “trại” khi tính toán dự đoán lý thuyết này, theo Ethan Siegel từ Big Think. Một trại tiếp cận dựa trên dữ liệu về sự phân cực chân không Hadronic, trong khi trại còn lại sử dụng kỹ thuật cơ sở tính toán Lattice quantum chromodynamics (QCD).
Vào năm 2021, có vẻ như những kết quả ban đầu của Fermilab gần với các phép tính QCD Lattice, làm giảm (nhưng không loại bỏ) khả năng có các hiện tượng vật lý mới xung quanh muon. Giờ đây, với phép tính mới trong tay, các nhà khoa học có thể tiến bước với sự tự tin mới trong một kết quả thực nghiệm đã được kiểm chứng trong suốt một thế kỷ qua.
“Như đã diễn ra trong nhiều thập kỷ qua, momen từ của muon vẫn là một chuẩn mực nghiêm ngặt của Mô hình chuẩn,” Simon Corrodi, nhà vật lý trợ lý tại Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne và điều phối viên phân tích, cho biết trong một thông cáo báo chí. “Kết quả thực nghiệm mới này làm sáng tỏ thêm lý thuyết cơ bản này và sẽ đặt ra chuẩn mực cho bất kỳ phép tính lý thuyết mới nào sắp tới.”
Điều này không phải là dấu chấm hết cho việc đo lường dị thường từ tính của muon—Trung tâm Nghiên cứu Tăng tốc Proton Nhật Bản dự kiến sẽ thực hiện các phép đo g-2 của riêng mình trong những năm 2030 (mặc dù Fermilab cho biết rằng độ chính xác ban đầu của họ sẽ kém hơn so với những kết quả mới nhất của mình).
Hôm nay, kết quả muon g-2 này là một minh chứng cho nỗ lực kỹ thuật và khoa học đa ngành tuyệt vời cần thiết để khám phá thêm một chút về vũ trụ đầy bí ẩn của chúng ta.
Nguồn tham khảo: https://www.popularmechanics.com/science/a64970057/muon-g-2/
Bắt đầu từ năm 2017, một nhóm các nhà khoa học quốc tế đã sử dụng dữ liệu từ vòng từ tính đường kính 15 mét của Fermilab để đo lường sự lắc lư của một hạt hạ nguyên tử gọi là muon thông qua thí nghiệm “muon g-2”. Muon nặng hơn hơn 200 lần so với electron, nhưng chúng chỉ tồn tại trong vài vi giây. Tuy nhiên, muon có một trục quay khiến chúng hành xử giống như những chiếc nam châm nhỏ. Sự lắc lư này, hay còn gọi là sự tiền tiến, do một trường từ bên ngoài gây ra và được gọi là g-factor. Một thế kỷ trước, yếu tố này được tìm thấy có giá trị là 2 (do đó có tên là thí nghiệm “muon g-2”). Tuy nhiên, sự xuất hiện của lý thuyết trường lượng tử đã làm phức tạp con số này khi đưa vào các tương tác của trường mạnh, yếu và Higgs. Phần lệch nhẹ này so với dự đoán “2” được gọi là momen từ dị thường của muon.
Để hiểu rõ hơn về sự dị thường này, Fermilab đã liên tục công bố kết quả từ loạt thí nghiệm của mình kéo dài từ 2017 đến 2023. Vào ngày 3 tháng 6 năm 2025, thí nghiệm muon g-2 cuối cùng đã công bố đầy đủ kết quả của mình, với độ chính xác khoảng 127 phần tỷ—đây là phép đo nhạy nhất và chính xác nhất về dị thường từ tính của muon cho đến nay. Kết quả của nghiên cứu đã được gửi đến tạp chí Physical Review D.
“Momen từ dị thường, hay g–2, của muon rất quan trọng vì nó cung cấp một bài kiểm tra nhạy cảm cho Mô hình chuẩn của vật lý hạt,” bà Regina Rameika, Giám đốc Phó Văn phòng Vật lý Năng lượng Cao của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, cho biết trong một thông cáo báo chí. “Đây là một kết quả thú vị và thật tuyệt khi thấy một thí nghiệm kết thúc một cách xác định với một phép đo chính xác.”
Việc hiểu được phép đo chính xác này của muon g-2 có thể giúp các nhà khoa học khám phá ra những điều mới trong vật lý, khi bất kỳ sự sai lệch nào giữa kết quả thực nghiệm và dự đoán lý thuyết sử dụng Mô hình chuẩn có thể chỉ ra những điều chưa biết trong hiểu biết của chúng ta về thế giới hạ nguyên tử. Khi các nhà vật lý thực nghiệm cố gắng hoàn thiện các phương pháp đo lường dị thường từ tính, các nhà vật lý lý thuyết—đặc biệt là những người tham gia Sáng kiến Lý thuyết Muon—đã phần lớn chia thành hai “trại” khi tính toán dự đoán lý thuyết này, theo Ethan Siegel từ Big Think. Một trại tiếp cận dựa trên dữ liệu về sự phân cực chân không Hadronic, trong khi trại còn lại sử dụng kỹ thuật cơ sở tính toán Lattice quantum chromodynamics (QCD).
Vào năm 2021, có vẻ như những kết quả ban đầu của Fermilab gần với các phép tính QCD Lattice, làm giảm (nhưng không loại bỏ) khả năng có các hiện tượng vật lý mới xung quanh muon. Giờ đây, với phép tính mới trong tay, các nhà khoa học có thể tiến bước với sự tự tin mới trong một kết quả thực nghiệm đã được kiểm chứng trong suốt một thế kỷ qua.
“Như đã diễn ra trong nhiều thập kỷ qua, momen từ của muon vẫn là một chuẩn mực nghiêm ngặt của Mô hình chuẩn,” Simon Corrodi, nhà vật lý trợ lý tại Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne và điều phối viên phân tích, cho biết trong một thông cáo báo chí. “Kết quả thực nghiệm mới này làm sáng tỏ thêm lý thuyết cơ bản này và sẽ đặt ra chuẩn mực cho bất kỳ phép tính lý thuyết mới nào sắp tới.”
Điều này không phải là dấu chấm hết cho việc đo lường dị thường từ tính của muon—Trung tâm Nghiên cứu Tăng tốc Proton Nhật Bản dự kiến sẽ thực hiện các phép đo g-2 của riêng mình trong những năm 2030 (mặc dù Fermilab cho biết rằng độ chính xác ban đầu của họ sẽ kém hơn so với những kết quả mới nhất của mình).
Hôm nay, kết quả muon g-2 này là một minh chứng cho nỗ lực kỹ thuật và khoa học đa ngành tuyệt vời cần thiết để khám phá thêm một chút về vũ trụ đầy bí ẩn của chúng ta.
Nguồn tham khảo: https://www.popularmechanics.com/science/a64970057/muon-g-2/
