Một sự phân rã Kaon hiếm có có thể nắm giữ chìa khóa cho vật lý mới

Trong một thí nghiệm mang tính đột phá tại CERN, các nhà vật lý hạt đang trên bờ vực khám phá ra vật lý mới vượt ra ngoài Mô hình Chuẩn. Thí nghiệm NA62, do một nhóm các nhà nghiên cứu bao gồm Cristina Lazzeroni từ Đại học Birmingham dẫn đầu, đã quan sát và đo lường thành công một sự kiện phân rã hạt hiếm mà các nhà khoa học từ lâu đã tìm cách chứng kiến. Sự kiện đó là gì? Sự phân rã của một kaon tích điện thành một pion tích điện, một neutrino và một phản neutrino—một kênh hiếm đến mức nó đã đạt được vị thế là một sự kiện "vàng" trong vật lý hạt.
Trong hơn một thập kỷ, nhóm NA62 đã tập trung cao độ vào loại phân rã cụ thể này. Điều khiến nó trở nên đặc biệt không chỉ là tính cực kỳ hiếm có của nó mà còn là thực tế là nó được dự đoán chính xác bởi Mô hình Chuẩn—lời giải thích tốt nhất hiện tại về cách các hạt và lực cơ bản trong vũ trụ hoạt động. Nhưng với vật lý hạt, tính hiếm có là điều khiến một số quá trình phân rã trở nên vô giá đối với việc thăm dò vật lý mới. Ngay cả độ lệch nhỏ nhất so với các dự đoán của Mô hình Chuẩn cũng có thể mở ra cánh cửa đến các lĩnh vực vật lý chưa biết.
Sự phân rã kaon hiếm này thành một cặp pion và neutrino-antineutrino, chỉ xảy ra trong khoảng 13 trên 100 tỷ phân rã kaon, cung cấp một phép thử nhạy cảm cho vật lý mới. Tuy nhiên, phải mất nhiều năm thu thập và phân tích dữ liệu, với các nhà vật lý phân loại qua vô số vụ va chạm hạt, để xác nhận sự kiện này với độ chính xác cao nhất. Như Lazzeroni đã nhận xét, cột mốc này trong vật lý thực nghiệm là kết quả của nỗ lực đáng chú ý của nhóm và nhiều năm cống hiến.

Kaons: Cửa sổ nhìn vào các lực cơ bản
Kaon, các hạt ở trung tâm của thí nghiệm này, là một lớp hạt hạ nguyên tử hấp dẫn. Chúng bao gồm một quark liên kết với một phản quark và thuộc về một họ được biết đến với hành vi kỳ lạ của chúng—theo nghĩa đen. Kaon thể hiện "tính kỳ lạ", một tính chất độc đáo khiến chúng trở nên vô giá trong việc hiểu cách các loại khác nhau, hoặc "hương vị", của quark hoạt động dưới lực mạnh.
Thí nghiệm NA62 tạo ra kaon bằng cách bắn các proton năng lượng cao vào một mục tiêu berili, tạo ra một chùm hạt thứ cấp. Khoảng 6% trong số các hạt này là kaon, nhưng các hạt này rất phù du, chỉ tồn tại trong một phần trăm triệu giây trước khi phân rã. Hầu hết các phân rã kaon tạo ra một muon và một neutrino, nhưng trong sự kiện cực kỳ hiếm này, kaon phân rã thành một pion, neutrino và phản neutrino—một quá trình được trung gian bởi boson Z, một trong những hạt mang lực yếu.
Sự phân rã này cực kỳ khó phát hiện. Thí nghiệm thậm chí không cố gắng bắt giữ các neutrino hoặc antineutrino khó nắm bắt, chúng hủy diệt gần như ngay lập tức sau khi được tạo ra. Thay vào đó, nó tập trung vào việc phát hiện ra pion, một hạt tích điện, như một dấu hiệu cho thấy sự phân rã kaon hiếm này đã xảy ra.

Con đường đến Vật lý mới
Độ hiếm và độ chính xác cần thiết để đo kênh phân rã này khiến nó trở thành một công cụ mạnh mẽ để thử nghiệm Mô hình Chuẩn. Các kết quả hiện tại từ NA62 cho thấy một số phân rã cao hơn một chút so với dự đoán của Mô hình Chuẩn là 8,4 trên 100 tỷ, nhưng vẫn nằm trong giới hạn không chắc chắn có thể chấp nhận được. Hiện tại, những kết quả này phù hợp với Mô hình Chuẩn. Tuy nhiên, như Lazzeroni giải thích, Mô hình Chuẩn, mặc dù thành công, không giải thích được một số bí ẩn của vũ trụ, chẳng hạn như vật chất tối hoặc sự mất cân bằng vật chất-phản vật chất trong vũ trụ.
Hy vọng là khi nhóm NA62 thu thập thêm dữ liệu trong ba năm tới, họ sẽ tìm thấy những sai lệch so với dự đoán của Mô hình Chuẩn. Ngay cả một sự khác biệt nhỏ cũng có thể báo hiệu sự hiện diện của các hạt hoặc lực mới có thể thay đổi cơ bản sự hiểu biết của chúng ta về vũ trụ.
Lazzeroni và nhóm của bà rất lạc quan. "Mô hình chuẩn đã rất tốt trong việc dự đoán các quan sát cho đến nay, nhưng chúng tôi biết nó phải có những thiếu sót", bà nói. "Chúng tôi mong đợi vật lý mới xuất hiện—chính xác là gì, vẫn chưa biết. Nhưng nói chung, chúng tôi mong đợi các hạt và lực mới sẽ xuất hiện".
Kết quả từ NA62 một ngày nào đó có thể cung cấp manh mối quan trọng để giải quyết một số bí ẩn lớn nhất của vũ trụ. Mặc dù chưa có vật lý mới nào xuất hiện, nhưng thực tế là thí nghiệm NA62 đang thăm dò những vùng đất chưa được khám phá này khiến tương lai trở nên vô cùng hứa hẹn. Với nhiều dữ liệu hơn trong tay, nhóm nghiên cứu có thể sớm tiết lộ liệu sự phân rã hiếm hoi này có chỉ ra sự khám phá ra các lực và hạt mới có thể định hình lại vật lý hiện đại hay không.
Nhóm nghiên cứu gần đây đã trình bày những phát hiện này tại hội thảo CERN, đánh dấu một cột mốc quan trọng trong quá trình tìm kiếm sự phi thường trong quá trình phân rã thông thường của kaon. Vài năm tới có thể chứng minh là then chốt khi họ thu thập được nhiều dữ liệu hơn nữa và tiến gần hơn đến khả năng của vật lý mới.

Một chương mới trong Vật lý hạt?
Thành tựu này của nhóm Lazzeroni là một bước tiến quan trọng trong vật lý hạt, mở ra một ranh giới mới để hiểu vũ trụ. Với các thí nghiệm đang diễn ra và thu thập dữ liệu liên tục, các nhà khoa học có thể sắp khám phá ra những hiện tượng có thể thách thức các giả định khoa học sâu sắc nhất của chúng ta.
Khả năng hấp dẫn của việc tìm ra "vật lý mới" đã tiếp thêm sinh lực cho lĩnh vực này, và thí nghiệm NA62 của CERN hiện đang ở vị trí hàng đầu trong cuộc tìm kiếm đó. Thật là thú vị!