Mô hình chuẩn của vật lý hạt là một kiệt tác khoa học, nhưng dẫu vậy, nó vẫn chưa hoàn chỉnh. Một trong những câu hỏi lớn mà chúng ta vẫn chưa có lời giải là vì sao lại tồn tại vật chất, hay nói cách khác, sự bất đối xứng giữa vật chất và phản vật chất. Thêm vào đó, chúng ta còn phải đối diện với những khái niệm phức tạp về vật chất tối và năng lượng tối.
Một trong những câu hỏi thú vị khác trong lĩnh vực khoa học là liệu có thể tồn tại một lực cơ bản thứ năm. Các bạn có thể quen thuộc với bốn lực cơ bản là lực mạnh, lực yếu, lực hấp dẫn và lực điện từ. Tuy nhiên, một số nhà vật lý đang đặt ra giả thuyết rằng có thể tồn tại một lực thứ năm, có thể kết nối neutron và electron, hoạt động khắp vũ trụ của chúng ta. Gần đây, một nhóm các nhà khoa học quốc tế 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 chúng được ước lượng khoảng từ 10 đến 10 triệu eV (electronvolts - đơn vị đo khối lượng cũng dựa trên công thức E=mc²). Kết quả của nghiên cứu được công bố trên tạp chí Physical Review Letters.
Để có được con số này, nhóm 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 tích dương trong hạt nhân, nhảy tạm thời lên một mức năng lượng cao hơn. Những chuyển tiếp này có thể thay đổi tùy thuộc vào đồng vị và số lượng neutron hiện có trong nguyên tử.
Sau khi hoàn tất quan sát, các tác giả đã vẽ biểu đồ sự thay đổi của dữ liệu mà họ thu thập được, được gọi là biểu đồ King. Theo mô hình chuẩn, biểu đồ này lẽ ra sẽ cho ra một đường thẳng. Tuy nhiên, điều đó không phải là điều nghiên cứu tìm thấy. Nhờ vào độ nhạy cao của thí nghiệm, biểu đồ cuối cùng cho kết quả không phải là tuyến tính, cho thấy rằng những sai lệch mà nhóm nghiên cứu phát hiện có thể là bằng chứng cho sự tồn tại của một lực thứ năm.
Tuy nhiên, các tác giả cũng lưu ý rằng những sai lệch này có thể cũng có thể được giải thích trong khuôn khổ của mô hình chuẩn. Dẫu vậy, dù nguyên nhân của những sai lệch này là gì, nó cũng không làm giảm khả năng của các nhà khoa học trong việc xác định giới hạn tối đa cho khối lượng của boson lực thứ năm.
Việc tìm kiếm lực thứ năm này là một hành trình dài, và đây là một nỗ lực khoa học đã kéo dài rộng rãi. Trong những năm 1980, các nhà khoa học tại MIT từng nghĩ rằng lực chống hấp dẫn có thể là lực thứ năm, và một ý tưởng khác được gọi là “quintessence” đã trở nên phổ biến vào đầu thế kỷ. Gần đây, Fermilab tại Chicago cũng nghĩ rằng họ có thể đang tiến gần đến việc xác định lực thứ năm, mặc dù kết quả cuối cùng của thí nghiệm “muon g-2” chủ yếu đã xác nhận mô hình chuẩn.
Các nỗ lực khác cũng đã xem xét những thể vật lớn hơn rất nhiều so với các nguyên tử để tìm kiếm bằng chứng về lực thứ năm. Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos đã công bố một nghiên cứu 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 học hỏi điều gì đó về các lực hạt mà chúng ta chưa hiểu rõ. Mục tiêu cuối cùng của đội ngũ này, cũng giống như nhóm nghiên cứu đứng sau bài báo mới, là để hiểu được những ràng buộc về nơi mà lực thứ năm có thể tồn tại.
Hiện tại, cuộc tìm kiếm vẫn đang diễn ra, và các nhà khoa học đang dần có thêm những bước tiến hướng tới một câu trả lời có thể thay đổi nền vật lý.
Một trong những câu hỏi thú vị khác trong lĩnh vực khoa học là liệu có thể tồn tại một lực cơ bản thứ năm. Các bạn có thể quen thuộc với bốn lực cơ bản là lực mạnh, lực yếu, lực hấp dẫn và lực điện từ. Tuy nhiên, một số nhà vật lý đang đặt ra giả thuyết rằng có thể tồn tại một lực thứ năm, có thể kết nối neutron và electron, hoạt động khắp vũ trụ của chúng ta. Gần đây, một nhóm các nhà khoa học quốc tế 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 chúng được ước lượng khoảng từ 10 đến 10 triệu eV (electronvolts - đơn vị đo khối lượng cũng dựa trên công thức E=mc²). Kết quả của nghiên cứu được công bố trên tạp chí Physical Review Letters.
Để có được con số này, nhóm 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 tích dương trong hạt nhân, nhảy tạm thời lên một mức năng lượng cao hơn. Những chuyển tiếp này có thể thay đổi tùy thuộc vào đồng vị và số lượng neutron hiện có trong nguyên tử.
Sau khi hoàn tất quan sát, các tác giả đã vẽ biểu đồ sự thay đổi của dữ liệu mà họ thu thập được, được gọi là biểu đồ King. Theo mô hình chuẩn, biểu đồ này lẽ ra sẽ cho ra một đường thẳng. Tuy nhiên, điều đó không phải là điều nghiên cứu tìm thấy. Nhờ vào độ nhạy cao của thí nghiệm, biểu đồ cuối cùng cho kết quả không phải là tuyến tính, cho thấy rằng những sai lệch mà nhóm nghiên cứu phát hiện có thể là bằng chứng cho sự tồn tại của một lực thứ năm.
Tuy nhiên, các tác giả cũng lưu ý rằng những sai lệch này có thể cũng có thể được giải thích trong khuôn khổ của mô hình chuẩn. Dẫu vậy, dù nguyên nhân của những sai lệch này là gì, nó cũng không làm giảm khả năng của các nhà khoa học trong việc xác định giới hạn tối đa cho khối lượng của boson lực thứ năm.
Việc tìm kiếm lực thứ năm này là một hành trình dài, và đây là một nỗ lực khoa học đã kéo dài rộng rãi. Trong những năm 1980, các nhà khoa học tại MIT từng nghĩ rằng lực chống hấp dẫn có thể là lực thứ năm, và một ý tưởng khác được gọi là “quintessence” đã trở nên phổ biến vào đầu thế kỷ. Gần đây, Fermilab tại Chicago cũng nghĩ rằng họ có thể đang tiến gần đến việc xác định lực thứ năm, mặc dù kết quả cuối cùng của thí nghiệm “muon g-2” chủ yếu đã xác nhận mô hình chuẩn.
Các nỗ lực khác cũng đã xem xét những thể vật lớn hơn rất nhiều so với các nguyên tử để tìm kiếm bằng chứng về lực thứ năm. Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos đã công bố một nghiên cứu 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 học hỏi điều gì đó về các lực hạt mà chúng ta chưa hiểu rõ. Mục tiêu cuối cùng của đội ngũ này, cũng giống như nhóm nghiên cứu đứng sau bài báo mới, là để hiểu được những ràng buộc về nơi mà lực thứ năm có thể tồn tại.
Hiện tại, cuộc tìm kiếm vẫn đang diễn ra, và các nhà khoa học đang dần có thêm những bước tiến hướng tới một câu trả lời có thể thay đổi nền vật lý.
