Các nhà khoa học vừa ghi nhận một phát hiện đột phá trong vật lý học: hạt nhân phản vật chất nặng nhất từng được phát hiện, mang tên phản hyperhydrogen-4, đã xuất hiện trong các thí nghiệm tại Máy va chạm ion nặng tương đối tính (RHIC) ở Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven, New York. Kết quả này không chỉ là minh chứng cho những tiến bộ trong khoa học hạt nhân mà còn đặt ra các câu hỏi mới về sự khác biệt giữa vật chất và phản vật chất – yếu tố có thể giải mã một trong những bí ẩn lớn nhất của vũ trụ.
Phản hyperhydrogen-4, cấu thành từ một phản proton, hai phản neutron và một phản hyperon (một loại baryon chứa quark kỳ lạ), được phát hiện thông qua việc phân tích dữ liệu từ hơn 6 tỷ vụ va chạm giữa các ion nặng tại RHIC. Trong những vụ va chạm này, các nhà khoa học đã tái tạo môi trường tương tự như ngay sau Vụ Nổ Lớn (Big Bang), khi vật chất và phản vật chất được hình thành đồng thời nhưng dường như lại không hoàn toàn hủy diệt lẫn nhau.
Theo mô hình tiêu chuẩn của vũ trụ học, vật chất và phản vật chất được tạo ra trong vũ trụ sơ khai lẽ ra phải xuất hiện và tiêu diệt lẫn nhau, dẫn đến sự biến mất của cả hai. Tuy nhiên, vũ trụ mà chúng ta đang sống lại chứa đầy vật chất, trong khi phản vật chất gần như hoàn toàn vắng bóng. Đây là một nghịch lý mà các nhà vật lý đã nỗ lực tìm hiểu suốt nhiều thập kỷ.
Antihyperhydrogen-4 là một phản hạt mới được phát hiện và là phản hạt hypernucleus nặng nhất từng được khám phá. Nó được tạo thành từ một antiproton, hai antineutron và một antilambda1. Phản hạt này được phát hiện lần đầu tiên vào tháng 8 năm 2024 bởi các nhà khoa học từ sự hợp tác STAR (Solenoidal Tracker at RHIC) tại Viện Nghiên cứu Năng lượng Tâm lý Quốc gia Brookhaven, Hoa Kỳ.
Phát hiện mới này cung cấp thêm manh mối để giải quyết bí ẩn tại sao vật chất lại chiếm ưu thế trong vũ trụ. Junlin Wu, đồng tác giả nghiên cứu và nhà vật lý tại Đại học Lan Châu (Trung Quốc), cho biết: “Ngoại trừ việc có điện tích ngược lại, phản vật chất có các tính chất giống hệt như vật chất, bao gồm khối lượng, tuổi thọ và cách chúng tương tác. Tại sao vũ trụ của chúng ta lại bị chi phối bởi vật chất vẫn là một câu hỏi chưa có câu trả lời đầy đủ.”
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng RHIC để mô phỏng một “mini Big Bang” bằng cách va chạm các ion nặng – những hạt nhân nguyên tử bị tước electron – ở tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng. Những vụ va chạm này tạo ra một “súp plasma” gồm các hạt cơ bản, tương tự như trạng thái của vũ trụ ngay sau Vụ Nổ Lớn.
Bằng cách phân tích dữ liệu từ hàng tỷ vụ va chạm, các nhà khoa học đã xác định được khoảng 16 hạt nhân phản hyperhydrogen-4, đánh dấu lần đầu tiên loại hạt này được quan sát. Điều này cho phép họ nghiên cứu sự tồn tại và tính chất của phản vật chất một cách chi tiết hơn bao giờ hết.
Antihyperhydrogen-4 được tạo ra trong các phản ứng va chạm ion nặng tại Trường Phản ứng Năng lượng Tâm lý Quốc tế (RHIC), nơi các ion nặng được tăng tốc gần tới tốc độ ánh sáng và va chạm với nhau. Những va chạm này tạo ra các “lửa” có nhiệt độ hàng tỷ triệu độ C, giống như điều kiện của vũ trụ ban đầu, nơi có mặt cả vật chất và phản vật chất1. Khi lửa này mở rộng và nguội đi, một số phản vật chất thoát khỏi sự tiêu hủy với vật chất và được phát hiện bởi máy quét STAR.
Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy không có sự khác biệt đáng kể giữa tuổi thọ của hyperhydrogen-4 và phản hyperhydrogen-4, củng cố giả thuyết rằng vật chất và phản vật chất có các tính chất đối xứng nhau. Đây là một phát hiện quan trọng, vì bất kỳ sự vi phạm nào trong tính đối xứng này có thể đòi hỏi chúng ta phải thay đổi các lý thuyết hiện tại về vật lý cơ bản.
“Nếu chúng ta phát hiện ra sự vi phạm đối xứng trong trường hợp này, điều đó sẽ buộc chúng ta phải xem xét lại rất nhiều khái niệm cốt lõi trong vật lý,” Emilie Duckworth, đồng tác giả nghiên cứu từ Đại học Kent State, nhấn mạnh.
Antihyperhydrogen-4 có tuổi thọ rất ngắn, chỉ khoảng vài cm trước khi phân hủy. Các nhà khoa học đã phân tích dữ liệu từ khoảng 6,6 tỷ sự kiện va chạm ion nặng và đã xác định được khoảng 16 phản hạt antihyperhydrogen-4 từ sản phẩm phân hủy của nó, bao gồm antihelium-4 và meson pi+1.
Phát hiện này mở ra những hướng nghiên cứu mới, đặc biệt là về khối lượng của các phản hạt so với các hạt tương ứng. Việc xác định chính xác khối lượng của phản vật chất có thể cung cấp những manh mối quan trọng về cách vũ trụ mà chúng ta đang sống hình thành và phát triển.
Trong tương lai, các nhà khoa học sẽ tiếp tục sử dụng các công nghệ hiện đại để nghiên cứu sâu hơn về phản vật chất, với mục tiêu giải mã nguồn gốc của sự mất cân bằng giữa vật chất và phản vật chất. Điều này không chỉ làm sáng tỏ một bí ẩn lớn của vũ trụ học mà còn có tiềm năng mở ra những ứng dụng thực tiễn trong công nghệ, năng lượng và khoa học cơ bản.
Phát hiện phản hyperhydrogen-4 không chỉ là một cột mốc quan trọng trong vật lý hạt nhân mà còn là lời nhắc nhở rằng hành trình tìm hiểu về vũ trụ vẫn còn vô số điều chưa được giải mã. Như mọi khám phá khoa học, mỗi câu trả lời lại mở ra những câu hỏi mới, đưa chúng ta đến gần hơn với việc hiểu rõ hơn về vị trí của con người trong vũ trụ rộng lớn này.
