Trong vũ trụ sơ khai , ngay sau Vụ Nổ Lớn, " vật chất " và "phản vật chất" cùng tồn tại với số lượng bằng nhau. Tuy nhiên, vì những lý do chưa được biết đến, " vật chất " chiếm ưu thế trong vũ trụ hiện tại . Các nhà nghiên cứu T2K gần đây đã chỉ ra sự xuất hiện của hiện tượng vi phạm tính chẵn lẻ điện tích trong dao động neutrino và phản neutrino tương ứng. Đây là một bước tiến trong việc hiểu tại sao vật chất lại chiếm ưu thế trong vũ trụ.
Lý thuyết Vụ nổ lớn (xảy ra khoảng 13.8 tỷ năm trước) và các lý thuyết vật lý liên quan khác cho rằng vũ trụ sơ khai chủ yếu là bức xạ và vật chất cũng như phản vật chất tồn tại với số lượng bằng nhau.
Nhưng vũ trụ mà chúng ta biết ngày nay chủ yếu là 'vật chất'. Tại sao? Đây là một trong những bí ẩn hấp dẫn nhất của vũ trụ . (1).
Vũ trụ mà chúng ta biết ngày nay bắt đầu với lượng "vật chất" và "phản vật chất" bằng nhau, cả hai được tạo ra theo cặp như định luật tự nhiên yêu cầu và sau đó bị hủy diệt liên tục tạo ra bức xạ được gọi là "bức xạ nền vũ trụ". Trong khoảng 100 micro giây sau Vụ Nổ Lớn, vật chất (các hạt) bằng cách nào đó bắt đầu nhiều hơn phản hạt với tỷ lệ khoảng một phần tỷ và trong vòng vài giây, tất cả phản vật chất đã bị phá hủy, chỉ còn lại vật chất.
Quá trình hoặc cơ chế nào tạo ra sự khác biệt hoặc bất đối xứng giữa vật chất và phản vật chất này?
Năm 1967, nhà vật lý lý thuyết người Nga Andrei Sakharov đã đưa ra ba điều kiện cần thiết để xảy ra sự mất cân bằng (hay sự sản sinh vật chất và phản vật chất với tốc độ khác nhau) trong vũ trụ . Điều kiện Sakharov đầu tiên là sự vi phạm số baryon (một số lượng tử được bảo toàn trong tương tác). Điều này có nghĩa là các proton phân rã cực kỳ chậm thành các hạt hạ nguyên tử nhẹ hơn như pion trung tính và positron. Tương tự, một phản proton phân rã thành pion và electron. Điều kiện thứ hai là sự vi phạm đối xứng liên hợp điện tích (C) và đối xứng liên hợp điện tích-tính chẵn lẻ (CP), còn được gọi là vi phạm điện tích-tính chẵn lẻ. Điều kiện thứ ba là quá trình tạo ra sự bất đối xứng baryon không được ở trạng thái cân bằng nhiệt do sự giãn nở nhanh làm giảm sự xảy ra của quá trình hủy cặp.
Đó là tiêu chí thứ hai của Sakharov về vi phạm CP, là một ví dụ về kiểu bất đối xứng giữa các hạt và phản hạt của chúng mô tả cách chúng phân rã. Bằng cách so sánh cách các hạt và phản hạt hoạt động, tức là cách chúng di chuyển, tương tác và phân rã, các nhà khoa học có thể tìm thấy bằng chứng về sự bất đối xứng đó. Vi phạm CP cung cấp bằng chứng cho thấy một số quá trình vật lý không xác định là nguyên nhân tạo ra sự khác biệt giữa vật chất và phản vật chất.
Tương tác điện từ và 'tương tác mạnh' được biết là đối xứng theo C và P, và do đó chúng cũng đối xứng theo tích CP (3). ''Tuy nhiên, điều này không nhất thiết đúng đối với 'tương tác yếu', vì nó vi phạm cả hai đối xứng C và P'' Giáo sư BA Robson nói. Ông nói thêm rằng “sự vi phạm CP trong tương tác yếu ngụ ý rằng các quá trình vật lý như vậy có thể dẫn đến sự vi phạm gián tiếp số lượng baryon sao cho việc tạo ra vật chất sẽ được ưu tiên hơn việc tạo ra phản vật chất''. Các hạt không phải quark không cho thấy bất kỳ sự vi phạm CP nào trong khi sự vi phạm CP trong quark quá nhỏ và không đáng kể để tạo ra sự khác biệt trong việc tạo ra vật chất và phản vật chất. Vì vậy, sự vi phạm CP trong lepton ( neutrino ) trở nên quan trọng và nếu nó được chứng minh thì nó sẽ trả lời tại sao vũ trụ lại chiếm ưu thế về vật chất.
Mặc dù sự vi phạm đối xứng CP vẫn chưa được chứng minh một cách chắc chắn (1) nhưng những phát hiện được nhóm T2K báo cáo gần đây cho thấy các nhà khoa học thực sự rất gần với điều đó. Lần đầu tiên, người ta đã chứng minh rằng quá trình chuyển đổi từ hạt sang electron và neutrino được ưu tiên hơn quá trình chuyển đổi từ phản hạt sang electron và phản neutrino, thông qua các thí nghiệm cực kỳ tinh vi tại T2K (Tokai đến Kamioka) (2). T2K đề cập đến một cặp phòng thí nghiệm, Tổ hợp Nghiên cứu Máy gia tốc Proton Nhật Bản (J-Parc) ở Tokai và đài quan sát neutrino dưới lòng đất Super-Kamiokande ở Kamioka, Nhật Bản, cách nhau khoảng 300 km. Máy gia tốc proton ở Tokai tạo ra các hạt và phản hạt từ các va chạm năng lượng cao và các máy dò ở Kamioka quan sát các neutrino và các đối tác phản vật chất của chúng, phản neutrino, bằng cách thực hiện các phép đo rất chính xác.
Sau khi phân tích dữ liệu trong nhiều năm tại T2K, các nhà khoa học đã có thể đo được tham số gọi là delta-CP, chi phối sự phá vỡ đối xứng CP trong dao động neutrino, và tìm thấy sự không phù hợp hoặc ưu tiên tăng cường tỷ lệ neutrino, điều này cuối cùng có thể dẫn đến việc xác nhận sự vi phạm CP trong cách neutrino và phản neutrino dao động. Kết quả mà nhóm T2K tìm thấy có ý nghĩa thống kê ở mức 3-sigma hoặc mức độ tin cậy 99.7%. Đây là một thành tựu mang tính bước ngoặt vì việc xác nhận sự vi phạm CP liên quan đến neutrino có liên quan đến sự chiếm ưu thế của vật chất trong vũ trụ . Các thí nghiệm tiếp theo với cơ sở dữ liệu lớn hơn sẽ kiểm tra xem sự vi phạm đối xứng CP ở lepton này có lớn hơn sự vi phạm CP ở quark hay không. Nếu đúng như vậy, thì cuối cùng chúng ta sẽ có câu trả lời cho câu hỏi Tại sao vũ trụ lại chiếm ưu thế bởi vật chất.
Mặc dù thí nghiệm T2K không chứng minh rõ ràng sự vi phạm đối xứng CP đã xảy ra, nhưng nó là một cột mốc quan trọng vì nó cho thấy một cách dứt khoát sự ưu tiên mạnh mẽ cho tỷ lệ electron-neutron tăng cao và đưa chúng ta đến gần hơn với việc chứng minh sự xảy ra của vi phạm đối xứng CP và cuối cùng là câu trả lời cho câu hỏi "tại sao vũ trụ lại chiếm ưu thế bởi vật chất".
***
Tài liệu tham khảo:
1. Đại học Tokyo, 2020. "Kết quả T2K hạn chế các giá trị có thể có của pha CP neutrino -….." Thông cáo báo chí được công bố ngày 16 tháng 4 năm 2020. Có sẵn trực tuyến tại http://www.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/news/8799/ Truy cập ngày 17 tháng 4 năm 2020.
2. Nhóm hợp tác T2K, 2020. Giới hạn về pha vi phạm đối xứng vật chất-phản vật chất trong dao động neutrino. Nature, tập 580, trang 339–344 (2020). Xuất bản: 15 tháng 4 năm 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0
3. Robson, BA, 2018. Vấn đề bất đối xứng vật chất-phản vật chất. Tạp chí Vật lý năng lượng cao, Hấp dẫn và Vũ trụ học, 4, 166-178. https://doi.org/10.4236/jhepgc.2018.41015
***
