Helium là một trong những nguyên tố đơn giản nhất của tự nhiên, chỉ phức tạp hơn hydro. Tuy nhiên, sau khi nghiên cứu gần đây cho thấy rằng các proton và neutron trong nguyên tử heli không hoạt động theo lý thuyết, nguyên tố của thần Mặt trời đang khiến các nhà khoa học phải đau đầu. Ngoài Mô hình Chuẩn, mô hình lý thuyết vốn bao trùm trong việc mô tả thế giới các hạt hạ nguyên tử, có thể mở ra cho vật lý mới khi các dự đoán lý thuyết về cách thức hoạt động của các hạt này và những gì đang xảy ra với nguyên tử heli không phù hợp với nhau.
Các nhà vật lý đã kích hoạt một khối chứa nguyên tử heli bằng các electron trong nghiên cứu được công bố vào tháng 4 trên tạp chí Physical Review Letters để đẩy hạt nhân heli vào trạng thái kích thích, khiến hạt nhân tạm thời phồng lên, giống như ngực đang hít vào. Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng phản ứng của các proton và neutron trong hạt nhân đối với chùm electron khác biệt đáng kể so với những gì được xác nhận bởi lý thuyết, vốn được các nhà khoa học đã đúc kết sau khi thực hiện nhiều thí nghiệm từ nhiều thập niên trước. Nghiên cứu gần đây cho thấy rằng sự không phù hợp này là có thật chứ không phải là kết quả của sai số trong thực nghiệm. Thay vào đó, có vẻ như các nhà khoa học trước đây đơn giản là không hiểu đủ về vật lý năng lượng thấp chi phối tương tác giữa các hạt trong hạt nhân.
Hai proton và hai neutron tạo nên hạt nhân nguyên tử heli điển hình. Các phương trình mô tả hành trạng của hạt nhân heli được sử dụng cho tất cả các loại vật chất hạt nhân và neutron, vì vậy việc giải quyết sự khác biệt có thể giúp chúng ta hiểu các hiện tượng kỳ lạ khác như sự hợp nhất của các sao neutron.
Sau khi các tính toán về hạt nhân heli do nhóm của nhà khoa học Sonia Bacca thực hiện vào năm 2013, khi đó đang làm việc tại máy gia tốc hạt TRIUMF quốc gia của Canada (hiện Bacca là Giáo sư tại Đại học Johannes Gutenberg Mainz - Đức và là đồng tác giả của nghiên cứu mới), sự khác biệt giữa lý thuyết và thực nghiệm lần đầu tiên trở nên rõ ràng. Bacca và các đồng nghiệp đã sử dụng các phương pháp nâng cấp để xác định cách các proton và neutron trong hạt nhân heli hoạt động khi bị kích thích bởi một chùm electron, mang lại các số liệu khác biệt đáng kể so với dữ liệu thực nghiệm trước. Tuy nhiên, dữ liệu thực nghiệm trước được sử dụng để so sánh có từ những năm 1980 và được ghi lại với độ chính xác không đạt chuẩn ngày nay.
Tác giả chính của nghiên cứu mới, nhà vật lý hạt nhân Simon Kegel, người đã nghiên cứu hạt nhân heli cho luận án tiến sĩ của mình tại Đại học Johannes Gutenberg Mainz, đã chỉ ra rằng các thiết bị mà trường đại học của ông đang sở hữu có thể thực hiện lại các phép đo này với độ chính xác cực cao.
Càng hiện đại càng hại điện
Lực tương tác mạnh là lực giữ các hạt hạ nguyên tử của hạt nhân nguyên tử liên kết lại với nhau, nhưng vô số hiệu ứng bắt nguồn từ các khía cạnh của các tương tác này làm phức tạp thêm các tính toán về cách các hạt này tương tác. Các nhà lý thuyết đã đơn giản hóa vấn đề bằng cách sử dụng "lý thuyết trường hiệu quả" (EFT), lý thuyết cho rằng có rất nhiều lực tác dụng lên các hạt, giống như một file ảnh phổ biến dạng jpeg bao gồm tất cả dữ liệu trong một file hình ảnh không nén. Phiên bản cải tiến của EFT cung cấp kết quả gần đúng hơn về các hiệu ứng làm phức tạp các mô phỏng lực tương tác mạnh trong hạt nhân. Tuy nhiên, khi các nhà nghiên cứu xử lý các con số, họ phát hiện ra rằng các dự đoán lý thuyết thậm chí còn khác xa với các hiện tượng quan sát được so với các phép tính gần đúng thô sơ trước đây.
Kegel và đội Mainz đã sử dụng cơ sở máy gia tốc điện tử MAMI của trường Đại học để bắn một chùm electron vào một vật chứa nguyên tử heli nhằm kiểm tra xem có bao nhiêu sự khác biệt có thể là kết quả của sai số thí nghiệm. Các electron đẩy hạt nhân heli vào trạng thái kích thích được mô tả là một đơn cực đẳng hướng. Theo Bacca, "Hãy tưởng tượng hạt nhân giống như một quả cầu thay đổi bán kính, phồng lên và co lại, giữ tính đối xứng hình cầu."
Mật độ của các nguyên tử heli trong vật chứa và cường độ của chùm electron năng lượng thấp là hai tham số đã cải thiện độ chính xác của các phép đo. Theo Kegel, cả hai đều có thể đạt giá trị rất cao tại cơ sở của Đại học Mainz.
Rõ ràng là bộ dữ liệu mới này sẽ không giải quyết được vấn đề trước khi họ hoàn thành việc phân tích dữ liệu. Nguồn gốc của sự khác biệt giữa lý thuyết và thực nghiệm vẫn chưa được các nhà khoa học biết. Tuy nhiên, Bacca gợi ý rằng "các phần tương tác bị thiếu hoặc không được hiệu chỉnh tốt" có thể là nguyên nhân.
Sau khi Máy gia tốc siêu dẫn phục hồi năng lượng Mainz (MESA) siêu tối tân đi vào hoạt động vào năm 2024, nó sẽ tạo ra các chùm electron có cường độ cao hơn so với máy gia tốc hiện tại, mặc dù vẫn ở mức năng lượng thấp cần thiết cho loại thí nghiệm này. Cường độ cao hơn của MESA sẽ cho phép các phép đo có độ chính xác cao hơn và một cái nhìn thậm chí còn toàn diện hơn về biên giới năng lượng thấp của Mô hình Chuẩn.
Cập nhật tin tức công nghệ mới nhất tại fanpage Công nghệ & Cuộc sống
Nguồn tin: 1thegioi.vn
Tham gia bình luận