Mô hình chuẩn của Vật lý Hạt là một kiệt tác khoa học, nhưng vẫn còn nhiều điều chưa hoàn thiện. Có rất nhiều câu hỏi chưa có lời giải trong lĩnh vực này, chẳng hạn như tại sao lại tồn tại vật chất (hay còn gọi là sự không đối xứng giữa vật chất và phản vật chất), cũng như những bí ẩn quanh vật chất tối và năng lượng tối.
Một trong những câu hỏi thú vị hiện nay là liệu có tồn tại một lực cơ bản thứ năm hay không. Chúng ta đã quen thuộc với bốn lực cơ bản hiện có: lực mạnh, lực yếu, trọng lực và điện từ. Tuy nhiên, một số nhà vật lý đang đặt ra giả thuyết rằng có thể có một lực thứ năm kết hợp neutron và electron, và lực này có thể đang hoạt động trong vũ trụ của chúng ta. Mới đây, một nhóm các nhà khoa học quốc tế đến từ Đức, Thụy Sĩ và Úc đã xác định được giới hạn tối đa của một hạt có thể mang theo lực này bằng cách nghiên cứu tần số chuyển tiếp của năm đồng vị canxi. Khối lượng của các hạt này được ước tính vào khoảng từ 10 đến 10 triệu electronvolt (đúng vậy, electronvolt cũng được sử dụng như một đơn vị đo khối lượng, nhờ vào công thức 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 những chuyển tiếp nguyên tử của các đồng vị canxi-40, canxi-42, canxi-44, canxi-46 và canxi-48. Điều này xảy ra khi một electron, bị thu hút bởi các hạt mang điện dương trong hạt nhân, tạm thời nhảy lên một mức năng lượng cao hơn. Những chuyển tiếp này có thể khác nhau tùy theo 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 lập bản đồ các biến thể mà họ ghi nhận trên một biểu đồ gọi là biểu đồ King. Theo Mô hình chuẩn, điều này phải tạo ra một biểu đồ tuyến tính. Tuy nhiên, thực tế lại cho thấy điều ngược lại. Nhờ vào độ nhạy cao của thí nghiệm, biểu đồ đã trở nên phi tuyến tính, cho thấy rằng những sai lệch mà nhóm nghiên cứu phát hiện có thể là bằng chứng cho một lực thứ năm.
Tuy nhiên, như các tác giả cũng đã lưu ý, điều này có thể cũng có thể giải thích được bằng những lý thuyết đã có trong Mô hình chuẩn. Dù bất cứ điều gì gây ra những sai lệch này, nó không làm giảm khả năng của các nhà khoa học trong việc xác định giới hạn tối đa của khối lượng boson mang lực thứ năm.
Cuộc tìm kiếm lực thứ năm này là một hành trình dài, và đây là một nỗ lực khoa học rộng lớn. Trong suốt những năm 1980, các nhà khoa học ở MIT đã nghĩ rằng lực phản trọng lực có thể là một lực thứ năm, và một ý tưởng khác gọi là “năng lượng quintessence” cũng đã được ưa chuộng vào đầu thế kỷ này. Gần đây, Fermilab tại Chicago đã nghĩ rằng họ có thể đã đến gần một lực thứ năm, mặc dù kết quả cuối cùng từ thí nghiệm “muon g-2” của họ chủ yếu đã xác nhận Mô hình chuẩn.
Ngoài ra, có những nỗ lực tìm kiếm bằng chứng cho lực thứ năm ở quy mô lớn hơn, không chỉ giới hạn trong các nguyên tử. Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos đã công bố một nghiên cứu vào năm ngoái, cho rằng bằng cách phân tích kỹ lưỡng quỹ đạo của các tiểu hành tinh và tìm ra bất kỳ sai lệch nào trong quỹ đạo đó, chúng ta có thể tìm hiểu điều gì đó về các lực hạt mà chúng ta chưa hiểu. Mục tiêu cuối cùng của nhóm nghiên cứu này, cũng giống như của nhóm tác giả của bài báo mới, là hiểu rõ hơn về những giới hạn nơi lực thứ năm có thể tồn tại.
Hiện tại, cuộc tìm kiếm vẫn tiếp tục, và các nhà khoa học đang từng bước tiến tới một câu trả lời có thể thay đổi cách chúng ta hiểu về vật lý.
Một trong những câu hỏi thú vị hiện nay là liệu có tồn tại một lực cơ bản thứ năm hay không. Chúng ta đã quen thuộc với bốn lực cơ bản hiện có: lực mạnh, lực yếu, trọng lực và điện từ. Tuy nhiên, một số nhà vật lý đang đặt ra giả thuyết rằng có thể có một lực thứ năm kết hợp neutron và electron, và lực này có thể đang hoạt động trong vũ trụ của chúng ta. Mới đây, một nhóm các nhà khoa học quốc tế đến từ Đức, Thụy Sĩ và Úc đã xác định được giới hạn tối đa của một hạt có thể mang theo lực này bằng cách nghiên cứu tần số chuyển tiếp của năm đồng vị canxi. Khối lượng của các hạt này được ước tính vào khoảng từ 10 đến 10 triệu electronvolt (đúng vậy, electronvolt cũng được sử dụng như một đơn vị đo khối lượng, nhờ vào công thức 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 những chuyển tiếp nguyên tử của các đồng vị canxi-40, canxi-42, canxi-44, canxi-46 và canxi-48. Điều này xảy ra khi một electron, bị thu hút bởi các hạt mang điện dương trong hạt nhân, tạm thời nhảy lên một mức năng lượng cao hơn. Những chuyển tiếp này có thể khác nhau tùy theo 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 lập bản đồ các biến thể mà họ ghi nhận trên một biểu đồ gọi là biểu đồ King. Theo Mô hình chuẩn, điều này phải tạo ra một biểu đồ tuyến tính. Tuy nhiên, thực tế lại cho thấy điều ngược lại. Nhờ vào độ nhạy cao của thí nghiệm, biểu đồ đã trở nên phi tuyến tính, cho thấy rằng những sai lệch mà nhóm nghiên cứu phát hiện có thể là bằng chứng cho một lực thứ năm.
Tuy nhiên, như các tác giả cũng đã lưu ý, điều này có thể cũng có thể giải thích được bằng những lý thuyết đã có trong Mô hình chuẩn. Dù bất cứ điều gì gây ra những sai lệch này, nó không làm giảm khả năng của các nhà khoa học trong việc xác định giới hạn tối đa của khối lượng boson mang lực thứ năm.
Cuộc tìm kiếm lực thứ năm này là một hành trình dài, và đây là một nỗ lực khoa học rộng lớn. Trong suốt những năm 1980, các nhà khoa học ở MIT đã nghĩ rằng lực phản trọng lực có thể là một lực thứ năm, và một ý tưởng khác gọi là “năng lượng quintessence” cũng đã được ưa chuộng vào đầu thế kỷ này. Gần đây, Fermilab tại Chicago đã nghĩ rằng họ có thể đã đến gần một lực thứ năm, mặc dù kết quả cuối cùng từ thí nghiệm “muon g-2” của họ chủ yếu đã xác nhận Mô hình chuẩn.
Ngoài ra, có những nỗ lực tìm kiếm bằng chứng cho lực thứ năm ở quy mô lớn hơn, không chỉ giới hạn trong các nguyên tử. Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos đã công bố một nghiên cứu vào năm ngoái, cho rằng bằng cách phân tích kỹ lưỡng quỹ đạo của các tiểu hành tinh và tìm ra bất kỳ sai lệch nào trong quỹ đạo đó, chúng ta có thể tìm hiểu điều gì đó về các lực hạt mà chúng ta chưa hiểu. Mục tiêu cuối cùng của nhóm nghiên cứu này, cũng giống như của nhóm tác giả của bài báo mới, là hiểu rõ hơn về những giới hạn nơi lực thứ năm có thể tồn tại.
Hiện tại, cuộc tìm kiếm vẫn tiếp tục, và các nhà khoa học đang từng bước tiến tới một câu trả lời có thể thay đổi cách chúng ta hiểu về vật lý.
